Патент на изобретение №2197683
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) ДЫМОГАРНАЯ ТРУБА ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА
(57) Реферат: Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в паровых и водогрейных котлах. Дымогарная труба теплообменного аппарата, снабжена расположенным в ее полости вдоль всей длины турбулизатором, выполненным в виде навитой из жаропрочной проволоки спирали, зафиксированной в осевом направлении. На внутренней поверхности трубы выполнены многозаходные канавки по спирали, направление которых противоположно направлению спирали турбулизатора. При этом форма профиля канавок выполнена в виде радиусного сопряжения двух прямых лучей с углом между ними не более 90o, обеспечивающим плавный заход потока теплоносителя и встречное сопротивление в канавке. Такое выполнение дымогарной трубы повышает теплотехнические параметры установки и сокращает топливоэнергетические затраты. 1 з.п. ф-лы, 2 ил. Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к конструкциям дымогарных труб, используемых в теплообменных аппаратах с повышенной тепловой эффективностью, например в паровых и водогрейных котлах. В известных конструкциях паровых и водогрейных котлов размещается несколько гладкоствольных дымогарных труб диаметром 28…60 мм, которые снаружи омываются водой, а во внутренней части их проходят горячие газы. В таких котлах путем изменения числа труб обеспечивается увеличение поверхности нагрева и, соответственно, увеличение тепловой мощности [В.И. Панин. Котельные установки малой и средней мощности. М., Стройиздат, 1975, с.156-157]. Однако гладкоствольные дымогарные трубы имеют существенный недостаток – обладают слабой циркуляцией газовых потоков, т.к. между внутренней поверхностью трубы и тубулентным газовым потоком существует ламинарный вязкий пограничный подслой толщиной до  =0,73 мм. В ламинарном подслое отсутствует турбулентное перемешивание, а перенос количества движения и, следовательно, тепла происходит за счет вязкостного трения. Интенсивность теплообмена определяется переносом теплоты в вязком подслое у поверхности и его увеличение возможно за счет интенсификации процессов переноса именно в этом слое. За пределами пограничного слоя, т.е. в ядре теплового потока, переноса теплоты не существует [L. Prandtl. Gesammelte Abhandlungen zur angewandten Mechanik, Hydro- und Aerodynamik, T1 1-3, В., 1961].
Известны конструкции дымогарных труб котельных агрегатов, состоящие из гладкоствольной трубы, в которую вставлен турбулизатор, выполненный из жаростойкой проволоки или ленты в виде спирали, обеспечивающий добавочное вихревое закручивание газового потока теплоносителя, что позволяет уменьшить высоту (толщину) пограничного ламинарного слоя и тем самым повысить интенсивность теплопередачи [Кузнецов Е.Ф., Карасев С.А. Интенсификация теплообмена в трубах с проволочными спиралями. Турбины и компрессоры, 1997, 2, с. 23-25, а также Авторское свидетельство СССР на изобретение 1476300 от 30.04.89].
Недостатком данной конструкции дымогарной трубы является то, что спиральный турбулизатор обеспечивает, в основном, разрушение ядра газового потока и при этом только частично влияет на процесс течения тепловых потоков в пограничном слое.
Цель изобретения – интенсификация теплообмена в дымогарных трубах путем создания в пограничном слое турбулентных вихревых газовых потоков, включая его возвратное течение, приводящее к обрыву пограничного слоя, а также создание равномерной тепловой отдачи по длине трубы.
Сущность изобретения заключается в том, что в известном техническом решении дымогарная труба теплообменного аппарата, снабженная расположенным в ее полости вдоль всей длины турбулизатором, выполненным в виде навитой из жаропрочной проволоки спирали, зафиксированной в осевом направлении, согласно изобретению на внутренней поверхности трубы выполнены многозаходные канавки по спирали, направление которых противоположно направлению спирали турбулизатора; форма профиля канавок выполнена в виде радиусного сопряжения двух прямых лучей с углом между ними не более 90o, обеспечивающих плавный заход потока теплоносителя и встречное сопротивление в канавке.
С внутренней поверхностью трубы газовый теплоноситель имеет тенденцию образовывать устойчивый пограничный слой, который плотно “прилипает” к поверхности. Пограничный слой газа у стенки трубы в значительной мере определяет характер и интенсивность динамического, теплового и массового взаимодействия между поверхностью трубы и потоком газа. Поэтому направленное вихревое воздействие газового потока на пограничный слой приводит к увеличению интенсивности протекания этих процессов.
Заявленное изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показана конструктивная схема дымогарной трубы, а на фиг.2 – форма спиральных канавок, расположенных на внутренней поверхности трубы.
Как видно из фиг.1, дымогарная труба теплообменного аппарата состоит из трубы 1 с одно- или многозаходными винтовыми канавками и спиральным турбулизатором 2, выполненным из проволоки или ленты. Профиль канавки (фиг.2) в сечении совпадает с направлением вихревого потока теплоносителя, создаваемого спиральным турбулизатором. Форма профиля канавки выполнена в виде радиусного сопряжения двух прямых лучей. Поверхность канавки с углом  обеспечивает плавный заход теплоносителя, а торцевая поверхность, характеризуемая углом  , – встречное сопротивление потоку теплоносителя, при этом угол между лучами равен или меньше 90o. Так как теоретически рассчитанная толщина пограничного слоя газа у стенки гладкоствольной трубы со спиральным турбулизатором находится в пределах до 0,73 мм, рекомендуемая глубина канавки до 1 мм.
Профиль спиралевидной канавки характеризуется заходной поверхностью и торцовой поверхностью . На входе в канал (поверхность ) скорость движения теплоносителя практически равна скорости завихренного тубулизатором 2 газового теплоносителя. Далее, у торцовой поверхности профиля (поверхность ) вследствие торможения потока давление в нем повышается, происходит создание в пограничном слое возвратных и перекрещивающихся вихревых газовых потоков, приводящих к разрыву сплошности пограничного слоя, выброс газа из области замедленного течения в верхние слои. Этот выброс, с одной стороны, интенсифицирует порождение турбулентности в пристенном слое, а с другой стороны, обеспечивает выброс порции холодного газа из пристенного слоя в ядро горячего газа.
Угол  90o в канавке между заходной поверхностью и торцевой поверхностью в сечении по нормали к спиралевидному витку турболизатора 2 выбран так, чтобы тепловой поток на теплопередающую поверхность трубы 1 и характер изменения температуры газового потока периодически меняли свое направление и чередовались местами, т.е. внутренняя поверхность трубы 1 выполняла роль нагреваемой и греющей поверхности.
Угол 90o также выбран исходя из технологических возможностей его изготовления.
Многозаходность спиралевидных канавок обеспечивает интенсификацию тепловых и вихревых потоков.
Эффективность предложенного технического решения выражается в том, что скорость теплопередачи в дымогарной трубе с многозаходными спиралевидными канавками, вызывающими принудительную конвекцию в пограничном слое, в 4…6 раз выше, чем в трубе со свободной конвекцией за счет:уменьшения толщины ламинарного пограничного слоя; периодического изменения взаимного направления теплового потока и движения газового теплоносителя; увеличения площади внутренней поверхности дымогарной трубы; увеличения длины пути и времени прохождения теплоносителя; высокой скорости прохождения газового теплоносителя (его завихрение обеспечивает вынос твердых частиц, содержащихся в теплоносителе за пределы теплообменного аппарата). Формула изобретения
РИСУНКИ
MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Дата прекращения действия патента: 20.12.2002
Извещение опубликовано: 27.09.2004 БИ: 27/2004
|
||||||||||||||||||||||||||
