Теплообмінна труба

Реферат: Теплообмінна труба містить гвинтові канавки з впадинами і виступами на зовнішній поверхні та відповідними їм виступами на внутрішній поверхні. Обидві поверхні є рівно розвиненими. Глибина канавок, крок канавок, діаметр поміж виступами, діаметр поміж впадинами та кути нахилу гвинтової канавки до поздовжньої осі труби виконані, виходячи з вимоги забезпечення зростання передавальної кількості теплоти за рахунок збільшення площі теплообміну та вибору найбільш прийнятного відношення між інтенсифікацією теплообміну. При течії теплоносія в трубі в режимі, що заданий величиною числа Рейнольдса, в діапазоні змінювання та змінюванням рівня гідродинамічного опору в цій трубі при тих же значеннях, де критерії Нуссельта, коефіцієнти гідродинамічного опору визначені для труби з гвинтовими канавками та для труби без канавок. UA 67783 U (12) UA 67783 U UA 67783 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі енергетики та кріогенної техніки і може бути використана при розробці теплообмінного обладнання. Відома теплообмінна труба містить гвинтові канавки з впадинами і виступами на зовнішній поверхні та відповідні їм виступи та впадини на внутрішній поверхні (див. книгу Основы расчета и проектирования теплообменников воздушного охлаждения / Под общ. ред. В.Б. Кунтыша, А.Н. Бессонова. - СПб.: Недра, 1996, С. 100-101, рис. 2.47). На зовнішній поверхні труби встановлюють ребра. Недоліком даної теплообмінної труби є різний ступінь розвитку зовнішньої та внутрішньої поверхонь, причому ступінь розвитку внутрішньої поверхні є недостатнім. Це впливає на рівень передавальної теплоти, яка суттєво відрізняється при близьких параметрах теплоносіїв всередині і зовні теплообмінної труби. Інтенсивність теплообміну на зовнішній та внутрішній поверхні труби також суттєво відрізняється. Як найближчий аналога вибрано теплообмінну трубу (див. корисну модель РФ № 28539, МПК F28F 1/06, F28F 1/08, опубл. 2003), що містить гвинтові канавки глибиною h з кроком t та кутом нахилу до поздовжньої осі труби φ, з впадинами і виступами на зовнішній поверхні та відповідними їм виступами, з діаметром d поміж ними, та впадинами, з діаметром D поміж ними, на внутрішній поверхні, причому обидві поверхні мають практично однаковий профіль. Кут нахилу до поздовжньої осі труби φ складає 10-60°. Головним недоліком даного технічного рішення, яке є більш ефективним в порівнянні з рішенням-аналогом, є те, що не оптимізовані співвідношення між геометричними параметрами труби, що не дало можливості отримати помітне зростання передавальної теплоти внаслідок незначного змінювання зовнішньої та внутрішньої поверхонь труби. Немає можливості задавати рівень інтенсифікації теплообміну в теплообмінній трубі та відповідний йому рівень гідродинамічного опору при пропусканні теплоносія в цій трубі при тих же параметрах течії теплоносія на стадії проектування, щоб раціонально вибрати параметри теплообмінної труби без проведення трудомісткої роботи по виготовленню великої кількості зразків труб з різними параметрами, їх дослідженню та вибору найбільш прийнятного варіанту геометричних параметрів даного пристрою. В основу корисної моделі поставлено задачу створення теплообмінної труби, в якій новий діапазон геометричних параметрів корпусу дозволив би забезпечити зростання передавальної кількості теплоти за рахунок збільшення площі теплообміну та вибору найбільш прийнятного відношення між інтенсифікацією теплообміну та змінюванні гідродинамічного опору, і підвищення економічності. Поставлена задача вирішується тим, що в теплообмінній трубі, що містить гвинтові канавки глибиною h з кроком t та кутом нахилу до поздовжньої осі труби φ, з впадинами і виступами на зовнішній поверхні та відповідними їм виступами, з діаметром d поміж ними, та впадинами, з діаметром D поміж ними, на внутрішній поверхні, причому обидві поверхні є практично рівнорозвиненими, згідно з корисною моделлю, глибина канавок h, крок канавок t, діаметр d поміж виступами, діаметр D поміж впадинами та кути нахилу гвинтової канавки до поздовжньої осі труби φ виконані, виходячи з вимоги забезпечення зростання передавальної кількості теплоти за рахунок збільшення площі теплообміну та вибору найбільш прийнятного відношення між інтенсифікацією теплообміну Nuгоф/Nuгл, при течії теплоносія в трубі в режимі, що заданий величиною числа Рейнольдса ReD, в діапазоні змінювання ReD від 10000 до 60000, кута φ від 35° до 78°, відношення d/D від 0,61 до 0,833, відношення t/h від 1,6 до 10 та змінюванням рівня гідродинамічного опору ξгоф/ξгл в цій трубі при тих же значеннях ReD, φ, d/D та t/h, де критерії Нуссельта Nuгоф, і Nuгл, коефіцієнти гідродинамічного опору ξгоф і ξгл визначені для труби з гвинтовими канавками (індекс гоф) та для труби без канавок (індекс гл). Обґрунтований вибір геометричних параметрів теплообмінної труби при найбільш прийнятному відношенні між інтенсифікацією теплообміну в трубі з гвинтовими канавками по відношенню до труби без канавок Nuгоф/Nuгл, при течії теплоносія в трубі в режимі, визначеному величиною числа Рейнольдса ReD, в діапазоні змінювання ReD від 10000 до 60000, кута φ від 35° до 78°, відношення d/D від 0,61 до 0,833, відношення t/h від 1,6 до 10, що визначено за залежністю Nuгоф/Nuгл=F1(d/D)∙F2(t/h)∙F3(φ) та змінюванні рівня гідродинамічного опору ξгоф/ξгл в цій трубі при тих же значеннях ReD, φ, d/D та t/h, що визначено за залежністю ξгоф/ξгл=F4(d/D)∙F5(t/h)∙F6(φ), де 2 (d/D) -1 F1(d/D)=[19,9∙(d/D) -13,55 e +17,93] , F2(t/h)=exp(-0,04t/h)+0,05), φ -1 F3(φ)=-0,96∙е +6,65∙In (φ)+3,65∙φ , 1 UA 67783 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 F4(d/D)=-26,5∙In (d/D)+1, t/h 2 F5(t/h)=exp [-1,4/ e -0,016∙(t/h) +0,065∙t/h], φ F6(φ)=∙ln(-3,0/е -1,65∙φ+5,7), 0,8 0,25 0,43 Nuгл=0,021 ReD ∙(Prж/Prст) ∙Prж , 1,05 -1 ξгл=(-88300/ReD +18,4) , Prж, Prст - число Прандтля теплоносія при його середній температурі в трубі та при середній температурі стінки труби відповідно, дозволяє забезпечити зростання передавальної кількості теплоти за рахунок збільшення площі теплообмінної поверхні та коефіцієнта тепловіддачі  при прийнятному зростанні гідродинамічного опору ξгоф. Це одночасно дає можливість підвищити економічність за рахунок уникнення визначення геометричних параметрів труби шляхом застосування методу проб та помилок, що потребує виготовлення значної кількості зразків пристрою та експериментального визначення їх теплообмінних та гідродинамічних характеристик, а зразу вибирати найбільш прийнятний варіант цих параметрів. Технічна суть та принцип дії теплообмінної труби пояснюється кресленням. На кресленні зображена теплообмінна труба. Теплообмінна труба включає в себе корпус труби 1, зовнішня поверхня якого 2 містить гвинтові канавки 3 з впадинами 4 на зовнішній поверхні 2 та виступами 5 на цій же поверхні 2. Внутрішня поверхня 6 містить відповідно виступи 7 під впадинами 4 та впадини 8 під виступами 5. Обидві поверхні 2 та 6 є рівнорозвиненими, тобто їх площі є практично рівними. Теплообмінна труба працює наступним чином. Всередині корпуса 1 пропускають теплоносій, який відбирає теплоту від нагрітого корпусу труби 1 або віддає теплоту холодному корпусу труби 1. При рухові теплоносія всередині гвинтової труби відбувається збільшення кількості передавальної теплоти за рахунок розвинення теплообмінної поверхні та інтенсифікації теплообміну за рахунок турбулізації пристінного пограничного шару теплоносія шляхом розбиття потоку теплоносія у пристінній області на окремі струмені, що заходять у впадини 8 та рухаються по гвинтовим траєкторіям, зриваючи пограничний шар також з виступів 7. Завдяки закручуванню потоку, величина середньо витратної швидкості має в канавках не тільки поздовжню складову швидкості, а і поперечну, яка додатково збільшує інтенсивність теплообміну в пристінному шарі канавок. Суттєве зростання інтенсивності теплообміну відбувається навіть при приблизно однаковому зростанні як турбулентної теплопровідності, так і турбулентної в'язкості та збереженні постійним їх відношення. Величина зростання інтенсивності теплообміну залежить як від режиму течії теплоносія, що визначається величиною числа Рейнольдса Re D, так і від геометричних параметрів теплообмінної труби 1, а саме від глибини канавок h, кроку канавок t, кута нахилу канавки до повздовжньої осі труби φ, діаметру поміж виступами d та діаметру між впадинами D. В дослідженому діапазоні змінювання ReD від 10000 до 60000, кута φ від 35° до 78°, відношення d/D від 0,61 до 0,833, відношення t/h від 1,6 до 10 при заданій величині числа Рейнольдса вибирають геометричні параметри теплообмінної труби шляхом розрахунку теплообмінної характеристики Nuгоф, (інтенсифікації теплообміну Nuгоф/Nuгл) та відповідної характеристики гідродинамічного опору ξгоф (змінювання гідродинамічного опору ξгоф/ξгл) при одних і тих же значеннях ReD, d/D, t/h, φ та їх порівняльного аналізу. Виготовлено ряд теплообмінних труб з наступними геометричними параметрами: довжиною від 320 до 640 мм з гвинтовими канавками глибиною від 3 до 7 мм, з кроком від 8 до 50 мм, з діаметром між впадинами 36 мм, діаметром між виступами від 22 до 30 мм, відношеннями d/D від 0,611 до 0,833 та t/h від 1,6 до 10,0, кута нахилу гвинтової канавки до поздовжньої осі труби від 35.8 до 77,5°. Виготовлення теплообмінної труби з гвинтовими канавками здійснювалось роликовим обкочуванням на токарно-гвинторізному верстаті з використанням оправки та формуючих елементів. Тонкостінна труба з оправкою оберталась навколо своєї осі. При взаємодії з трубою ролик також обертався навколо своєї осі. При переміщуванні вздовж поздовжньої осі труби ролик деформував трубу та надавав їй форму оправки, що виготовлялась за геометричними характеристиками внутрішньої поверхні з гвинтовими виступами і впадинами. В результаті проведених експериментальних досліджень та розрахунків було з'ясовано наступне: - при зростанні параметрів відношення d/D, t/h інтенсивність теплообміну та опір зменшуються. Найбільше зростання теплообміну та опору, наприклад, при ReD=40000 спостерігається при d/D=0,611, t/h=1,7…3,0 і φ=77,5°, відповідно Nu гоф=214…203, ξгоф=0,67…0,80; - при зменшенні кута нахилу, який тісно зв'язаний з параметром t/h, гвинтових канавок теплообмін феродинамічний опір зменшується. 2 UA 67783 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 15 Теплообмінна труба, що містить гвинтові канавки глибиною h з кроком t та кутом нахилу до поздовжньої осі труби φ, з впадинами і виступами на зовнішній поверхні та відповідними їм виступами, з діаметром d поміж ними, та впадинами, з діаметром D поміж ними, на внутрішній поверхні, причому обидві поверхні є рівнорозвиненими, яка відрізняється тим, що глибина канавок h, крок канавок t, діаметр d поміж виступами, діаметр D поміж впадинами та кути нахилу гвинтової канавки до поздовжньої осі труби φ виконані, виходячи з вимоги забезпечення зростання передаваної кількості теплоти за рахунок збільшення площі теплообміну та вибору найбільш прийнятного відношення між інтенсифікацією теплообміну Nuгоф/Nuгл, при течії теплоносія в трубі в режимі, що заданий величиною числа Рейнольдса ReD, в діапазоні змінювання ReD від 10000 до 60000, кута φ від 35° до 78°, відношення d/D від 0,61 до 0,833, відношення t/h від 1,6 до 10 та змінюванням рівня гідродинамічного опору ξ гоф/ξгл в цій трубі при тих же значеннях ReD, φ, d/D та t/h, де критерії Нуссельта Nuгоф і Nuгл, коефіцієнти гідродинамічного опору ξгоф і ξгл визначені для труби з гвинтовими канавками (індекс гоф) та для труби без канавок (індекс гл). Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3