Теплообменная поверхность

(51) 22 37/12 (2006.01) 24 1/00 (2006.01) 28 1/10 (2006.01) МИНИСТЕРСТВО ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ контур соответствует внутреннему контуру экранной трубы и полностью его охватывает,несущая и экранная трубы образуют округлую полость с теплонесущей средой для возможности ее движения по длине округлой полости, наружные и топочные поперечные пластинчатые ребра выполнены винтовыми полостями с теплонесущей средой и объединены с округлой полостью так, что выполнены в сечении по длине теплообменной поверхности в форме конфузор - диффузор, причем шаг винтовых полостей, полная высота наружных и топочных поперечных пластинчатых ребер установлены с возрастанием по ходу движения теплонесущей среды. Технический результат 1 Увеличение теплоотдачи несущей трубы и площади теплообмена теплообменной поверхности. 2 Интенсификация циркуляции и теплообмена теплонесущей среды. 3 Равномерное распределение теплоты,исходящей от теплоисточника.(76) Таткеева Галина Галимзяновна Исаев Валерий Львович Исаев Иван Валерьевич Сулейманов Сейдамет Ришадович(57) Изобретение относится к энергетике, может быть использовано в котлах,радиаторах,холодильниках. Поставленная задача решается тем, что согласно предполагаемого изобретения,теплообменная поверхность в виде несущей трубы, содержащей наружные поперечные пластинчатые ребра с замкнутым внешним и внутренним контуром, где внутренний контур соответствует наружному контуру несущей трубы и полностью его охватывает,характеризующаяся тем, что, в несущей трубе установлена экранная труба с топочными поперечными пластинчатыми ребрами с замкнутым внешним и внутренним контуром, где внутренний Изобретение относится к энергетике, может быть использовано в котлах, радиаторах, холодильниках. Известна теплообменная поверхность,выполненная в виде трубы с плоскими противоположными стенками, полость которой разделена посредством перегородок на отдельные каналы, и снабженная наружным оребрением в виде параллельных рядов лепестков, плоскость которых расположена под углом к стенке трубы, причем,лепестки, по крайней мере, двух смежных рядов наклонены в противоположные стороны,характеризующаяся тем, что каждый лепесток имеет несимметричную форму, при которой центральная ось, проходящая через середину его основания и вершину, расположена под углом к основанию,причем в смежных рядах центральные оси лепестков наклонены в противоположные стороны относительно плоскости, перпендикулярной стенке трубы. (Смотри Патент РФ на изобретение 2067738. Кл.МПК 28. Опубл. 10.10.1996). Недостаток такой поверхности является то, что такая теплообменная поверхность применима для сухого воздуха, имеет низкую работоспособность лепестков оребрения в условиях котельной воды изза активности коррозионных процессов и высокотермических дымовых газов с пылезолоуносом в условиях топки. Известна вихревая топка, содержащая вихревую камеру сгорания с газовыпускным окном,тангенциальными соплами,дожигательной решеткой, вихревая камера сгорания установлена вертикально, ее дно выполнено с наклоном под углом 10-50 к дожигательной решетке, над которой в нижнем участке вихревой камеры сгорания расположено по крайней мере одно тангенциальное сопло. (Смотри Патент РФ 2126932. 23 В 1/38. 27.02.1999). Недостаток такой топки является то, что такая вихревая топка не имеет возможности пережимов для дожигания топлива и распределения теплоты факела по высоте топки. Особенность ее теплообменной поверхности вихревая камера сгорания установлена вертикально. Известны теплообменные трубы со спиральными ребрами и винтовым наружным оребрением в виде ленты (Смотри А.с. СССР 1513367.1989 г.). Недостаток теплообменной трубы в низком коэффициенте теплоотдачи,недостаточной работоспособностью в зоне высоких температур изза выгорания оребрения. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является теплообменная труба, которая представляет собой несущую трубу,выполненную плоскоовальной или эллиптической в плоскости поперечного сечения, и наружное поперечное оребрение, содержащее поперечные пластинчатые ребра с замкнутым внешним и внутренним контуром, где внутренний контур соответствует наружному контуру несущей трубы и полностью его охватывает, при этом, полная высота ребер наружного поперечного оребрения постоянна(варианты),138949,МПК 28,опубл. 27.03.2014). Недостаток теплообменной трубы - низкая теплоотдача несущей трубы, ее недостаточная работоспособность из-за выгорания поперечных пластинчатых ребер с замкнутым внешним и внутренним контуром в зоне высоких температур теплоисточника свыше 1000 С. Требуемое повышение площади теплообмена за счет поперечного оребрения ограничено условием высота ребра рекомендуется 0,4-0,5 мм от диаметра гладкотрубной поверхности Митрофанова О.В. Гидродинамика и теплообмен закрученных потоков в каналах с завихрителями(Аналитический обзор) // Теплофизика высоких температур. 2003. Т.41. 4. С.587-633 Дальнейшее увеличение высоты ребра приводит к выгоранию его в зоне высоких температур из-за недостаточной интенсивности теплосъема с поверхности ребра. Другие причины пережега поверхности ребер - недостаточная интенсивность циркуляции и теплообмена теплонесущей среды в несущей полости и неравномерное распределение теплоты, исходящей от теплоисточника, например,теплоты продуктов горения из-за неполного сгорания топлива по длине теплообменной поверхности. Задачей изобретения является устранение вышеуказанных недостатков, а также создание такого решения, которое обеспечило получение следующего технического эффекта 1.Увеличение теплоотдачи несущей трубы и площади теплообмена теплообменной поверхности. 2.Интенсификация циркуляции и теплообмена теплонесущей среды. 3.Равномерное распределение теплоты,исходящей от теплоисточника. Поставленная задача решается тем, что согласно предполагаемого изобретения,теплообменная поверхность в виде несущей трубы, содержащей наружные поперечные пластинчатые ребра с замкнутым внешним и внутренним контуром, где внутренний контур соответствует наружному контуру несущей трубы и полностью его охватывает,характеризующаяся тем, что, в несущей трубе установлена экранная труба с топочными поперечными пластинчатыми ребрами с замкнутым внешним и внутренним контуром, где внутренний контур соответствует внутреннему контуру экранной трубы и полностью его охватывает,несущая и экранная трубы образуют округлую полость с теплонесущей средой для возможности ее движения по длине округлой полости, наружные и топочные поперечные пластинчатые ребра выполнены винтовыми полостями с теплонесущей средой и объединены с округлой полостью так, что выполнены в сечении по длине теплообменной поверхности в форме конфузор - диффузор, причем шаг винтовых полостей, полная высота наружных и топочных поперечных пластинчатых ребер установлены с возрастанием по ходу движения теплонесущей среды. Увеличение теплоотдачи несущей трубы достигается выполнением ее наружных поперечных пластинчатых ребер винтовыми полостями, где увеличена длина замкнутого внешнего контура. Увеличение площади теплообмена теплообменной поверхности достигается установкой экранной трубы с топочными поперечными пластинчатыми ребрами, выполнение топочных поперечных пластинчатых ребер винтовыми полостями(в поперечном сечении с двумя обогреваемыми контурами внешним и внутренним, являющихся разновидностью двусветного экрана, который,позволяет увеличить площадь обогрева), а также выполнение наружных поперечных пластинчатых ребер винтовыми полостями (в поперечном сечении с двумя теплообменными контурами внешним и внутренним, который, позволяет увеличить площадь теплообмена) и объединение их с округлой полостью так, что они выполнены в сечении по длине теплообменной поверхности в форме конфузор - диффузор, которая определяет в сечении два катета в треугольной форме наружных и топочных поперечных пластинчатых ребер, взамен гиппотенузы этого треугольника, соответствующей линии цилиндрической поверхности в несущей и в экранной трубе. Интенсификация циркуляции и теплообмена теплонесущей среды достигнуто тем, что несущая и экранная трубы образуют округлую полость с теплонесущей средой. Обеспечивается ее движение по длине округлой полости. Наружные и топочные поперечные пластинчатые ребра объединены с округлой полостью и выполнены в сечении по длине теплообменной поверхности в форме конфузор диффузор, которая создает активизацию движения теплообменной среды по длине округлой полости и дополнительно - кумулятивный эффект отражения тепловых потоков от внешних и внутренних контуров наружных и экранных поперечных пластинчатых ребер к замкнутому внешнему контуру наружных и, соответственно, экранных поперечных пластинчатых ребер, что в совместном действии усиливает циркуляцию и теплообмен,который активизирует отвод тепла от топочных поперечных пластинчатых ребер в округлую полость посредством циркуляции теплонесущей среды. Это обеспечивает работоспособность теплообменной поверхности с винтовой полостью в зоне высоких температур, например, в котле - это зона геометрической оси теплообменной поверхности. Винтовая полость экранного поперечного пластинчатого ребра объединена с несущей полостью в виде округлой полости по ее длине, заполнена теплонесущей средой, поэтому внутри винтовая полость омывается теплонесущей средой, обеспечивая активную теплопередачу от теплоисточника (из зоны геометрической оси теплообменной поверхности), к теплонесущей среде в округлой полости. За счет движений по винту и по конфузору - диффузору это усиливает охлаждение замкнутого внутреннего и наружного контуров экранного поперечного пластинчатого ребра, что предотвращает его выгорание. Обеспечение равномерного распределения теплоты, исходящей от теплоисточника за счет винтового пережима топки выполняет экранное поперечное пластинчатое ребро с винтовой поверхностью, заполненное теплонесущей средой. Шаг винтовой полости, полная высота наружного и внутреннего поперечных пластинчатых ребер установлены с возрастанием по ходу движения теплонесущей среды. Это позволяет обеспечить поддержание температуры продуктов сгорания в направлении их выхода за счет дожигания топлива в пережимах, создаваемых винтовой поверхностью и дополнительно - формой замкнутого наружного и внутреннего контуров экранного поперечного пластинчатого ребра, определяемой профилем поверхности конфузор - диффузор. Поддержание температуры продуктов сгорания по высоте теплообменной поверхности в газовом вихре их движения улучшает теплоотдачу сжигаемого топлива. На фигуре изображена теплообменная поверхность, фрагмент поперечного разреза. Теплообменная поверхность в виде несущей трубы содержит округлую полость 1. Округлая полость образована пространством между контурами несущей и экранной труб и заполнена теплонесущей средой для возможности ее движения по длине округлой полости (на изображенной фигуре - снизу вверх). Причем экранная труба установлена в несущей трубе, но снабжена топочными поперечными пластинчатыми ребрами 2 с замкнутым внешним 4 и внутренним 5 контурами,а внутренний контур соответствует внутреннему контуру экранной трубы и полностью его охватывает. Несущая труба, содержит наружные поперечные пластинчатые ребра 3 с замкнутым внешним 6 и внутренним 7 контурами, где внутренний контур соответствует наружному контуру несущей трубы и полностью его охватывает. Внешние контуры 4 и внутренние контуры 7, а также экранные поперечные пластинчатые ребра 2 обращены к оси теплообменной поверхности. В зоне этой оси находится теплоисточник. Внутренние контуры 5 и внешние контуры 6 обращены к теплоизоляции 8. Наружные 3 и экранные 2 поперечные пластинчатые ребра выполнены винтовыми полостями с теплонесущей средой и объединены с округлой полостью 1 так, что выполнены в сечении по длине округлой полости 1 в форме конфузор - диффузор. Наружные поперечные пластинчатые ребра 3 установлены в теплоизоляции 8 и обращены к стене 9. Теплообменная поверхность работает следующим образом. Тепловой поток теплоисточника исходит из зоны геометрической оси теплообменной поверхности,нагревает замкнутые внешние 4 и внутренние 5 контуры и поверхности экранных поперечных пластинчатых ребер 2,обращенных к теплоисточнику и посредством процесса теплопередачи через стенку 2 нагревает теплонесущую среду в винтовой полости. 3 Теплонесущая среда движется в округлой полости 1 по ее длине в профиле конфузор - диффузор(на изображенной фигуре - снизу вверх), совершает одновременно движение внутри винтовых полостей наружных 3 и экранных 2 поперечных пластинчатых ребер вокруг оси теплообменной поверхности и воспринимает тепловую энергию от поверхности экранных поперечных пластинчатых ребер, тем самым охлаждает замкнутый внешний 4 и внутренний 5 контуры. Активность движения теплонесущей среды снизу вверх определяют свойство уменьшение плотности теплонесущей среды при нагреве и известные свойства профиля конфузор - диффузор. Нагретая внутри винтовой полости экранных 2 поперечных пластинчатых ребер теплонесущая среда, циркулирует в теплообменную несущую полость и совершает конвективный теплообмен внутри теплонесущей среды округлой полости 1. Конвективный теплообмен дополнительно активирован кумулятивным эффектом отражения тепловых потоков от поверхностей каждого профиля конфузор - диффузор по длине округлой полости к замкнутому внешнему контуру 4 экранных поперечных пластинчатых ребер 2 и тепловых потоков к замкнутому внешнему контуру 6 наружных поперечных пластинчатых ребер 3. Это с одной стороны усиливает теплоизоляционные свойства наружных поперечных пластинчатых ребер 3 и теплоизоляции 8 и с другой стороны усиливает теплоотдачу экранных поперечных пластинчатых ребер 2. Тем самым активизируется охлаждение замкнутых внутреннего 5 и внешнего 4 контуров экранного поперечного пластинчатого ребра 2, что предотвращает его выгорание. Таким образом теплонесущая среда движется по винтовой полости наружных и экранных поперечных пластинчатых ребер вокруг теплоисточника,расположенного в зоне геометрической оси теплообменной поверхности,образуя подобие вихревого потока теплонесущей среды вокруг геометрической оси теплообменной поверхности. Это улучшает циркуляцию теплонесущей среды из винтовой полости экранного поперечного пластинчатого ребра в несущую полость за счет центробежных сил. Дополнительными факторами активизации теплообмена и циркуляции теплонесущей среды являются ее движение в округлой полости формой конфузор - диффузор по длине округлой полости и эффект кумуляции тепловой энергии теплонесущей среды, проявляемой формой конфузор - диффузор в двух направлениях,перпендикулярных оси теплообменной поверхности одно - к замкнутым внешним контурам наружных экранных поперечных пластинчатых ребер и другое - к замкнутым внешним контурам наружных поперечных пластинчатых ребер. Экранное поперечное пластинчатое ребро с винтовой поверхностью, заполненное теплонесущей средой, обеспечивает винтовой пережим продуктов сгорания по длине теплообменной поверхности. Шаг винтовой полости, полная высота наружного 3 4 и экранного 2 поперечных пластинчатых ребер установлены с возрастанием по ходу движения теплонесущей среды,что позволяет интенсифицировать тепловосприятие теплообменной поверхности от теплоисточника,чтобы обеспечить поддержание температуры продуктов сгорания в направлении их выхода за счет дожигания топлива в пережимах, создаваемых винтовой поверхностью замкнутого внешнего 4 и внутреннего 5 контуров экранного поперечного пластинчатого ребра 2, поддержание температуры продуктов сгорания по высоте теплообменной поверхности в газовом вихре их движения. Газовый вихрь продуктов сгорания топлива усиливает их турбулентность,обеспечивает эффективное перемешивание для активации горения, а в местах пережима повышает температуру, обеспечивает полное выгорание топлива,повышая его теплоотдачу. Винтовая поверхность по высоте топки и конфузор - диффузор активизируют циркуляцию котельной воды на подъем. Это позволяет интенсифицировать теплообмен и циркуляцию котловой воды в теплообменной поверхности. Остаток теплоты на задней стенке 7, 8 винтовой полости 3, удерживается теплоизоляцией 8 и стеной 9. Выполнение теплообменной поверхности в виде несущей трубы, установка в несущей трубе экранной трубы с топочными поперечными пластинчатыми ребрами с замкнутым внешним и внутренним контуром, где внутренний контур соответствует внутреннему контуру экранной трубы и полностью его охватывает, образование округлой полости с теплонесущей средой посредством несущей и экранной трубами устраняет негативные присосы внешней среды в зону геометрической оси,которые нарушают рациональные теплофизические процессы при движении греющих газовых вихрей по винтовым поверхностям замкнутых внешних и внутренних контуров топочных поперечных пластинчатых ребер. В результате,указанные отличительные признаки,характеризующие предлагаемое техническое решение, полностью обеспечивают достижение поставленных целеустановок. Технический результат предполагаемого изобретения заключается в повышении теплоэнергетических,теплоаэродинамических характеристик оребренной теплообменной поверхности, увеличение ее площади за счет оребрения вертикальной цилиндрической полости винтовыми полостями (внутренней и наружной),повышение теплообменных процессов лучистого газового потока по винтовому внутреннему оребрению,конвективному теплообменному процессу по винтовому наружному оребрению и тепловоспринимающим процессам в котельной воде внутри полостей наружного и внутреннего оребрений и ее движения по винтовой выпукловогнутой полости в форме конфузор - диффузор внутри цилиндрической полости. Подтверждение технического результата представляют следующие доводы. Высокую теплоэнергетическую эффективность теплообменного оборудования обеспечивают периодически расположенные завихрители,винтовое оребрение с различной формой выступов спиральных накаток и др. Митрофанова О.В. Гидродинамика и теплообмен закрученных потоков в каналах с завихрителями (Аналитический обзор) // Теплофизика высоких температур. 2003. Т.41. 4. С.587-633 Примыкания друг к другу диффузоров и конфузоров вследствии организации потока различного давления образуются перетекания,которые интенсифицируют теплообмен в 1,31,4 раза. Ограничения в зоне переходов конфузордиффузор выполняет роль ограничительных элементов, которые повышают теплообмен в 1,3 раза Мигай В.К. Моделирование теплообменного энергетического оборудования. - Ленинград,Энергоатомиздат, 1987. - 264 с Элементы струйного обдува связанного со струйным обтеканием поверхности (например, в предлагаемом решении,винтовых полостей поперечного оребрения и выпукло вогнутой наружной зоны несущей полости), увеличивает интенсивность теплообмена в 3-5 раз Деев Л.В. Котельные установки и их обслуживание практическое пособие для ПТУ. - М. Высшая школа, 1990.-240 с Известно Гордышов Ю.Ф., Олимпиев В.В. Теплообменные аппараты с интенсифицированным теплообменом. - КазаньКГТУ,1999. - 176 с., что теплосъем в конфузорно - диффузорных каналах по сравнением с гладкой трубой при равных гидравлических потерях увеличивается в 1,7 раза. Эффективность оребрения,коэффициент теплопередачи зависят от шага и высоты ребер Чернов Н.С., Зубков Н.Н. Новый способ изготовления змеевиков из оребренных труб для теплообменных аппаратов технологического оборудования. Автомобильная промышленность,2005, 1. с. 25-27 ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Теплообменная поверхность в виде несущей трубы,содержащей наружные поперечные пластинчатые ребра с замкнутым внешним и внутренним контуром, где внутренний контур соответствует наружному контуру несущей трубы и полностью его охватывает, отличающаяся тем, что в несущей трубе установлена экранная труба с топочными поперечными пластинчатыми ребрами с замкнутым внешним и внутренним контуром, где внутренний контур соответствует внутреннему контуру экранной трубы и полностью его охватывает, несущая и экранная трубы образуют округлую полость с теплонесущей средой для возможности ее движения по длине округлой полости, наружные и топочные поперечные пластинчатые ребра выполнены винтовыми полостями с теплонесущей средой и объединены с округлой полостью так, что выполнены в сечении по длине теплообменной поверхности в форме конфузор - диффузор, причем шаг винтовых полостей, полная высота наружных и топочных поперечных пластинчатых ребер установлены с возрастанием по ходу движения теплонесущей среды.