RU2431102C2

RU2431102C2 - Heat exchange surface representing metal tube with finning in form of spiral from metal wire

Info

Publication number: RU2431102C2
Application number: RU2009145543/06A
Authority: RU
Inventors: Алексей Сергеевич Шембель (RU); Алексей Сергеевич Шембель
Priority date: 2009-12-08
Filing date: 2009-12-08
Publication date: 2011-10-10
Also published as: RU2009145543A

Abstract

FIELD: power industry.

SUBSTANCE: there proposed is heat exchange surface representing metal tube finned with metal spiral; inside spiral there located is metal wire with the specified linear expansion coefficient, which is installed inside spiral turns with preliminary tightening. Thermal expansion coefficient of wire metal inside spiral is chosen so that when operating temperature of heat exchange surface is more than ambient temperature, then linear expansion coefficient of the inserted wire is chosen less than linear expansion coefficient of tube metal and finning; if operating temperature of heat exchange surface is less than ambient temperature, then linear expansion coefficient of the inserted wire is chosen so that it is higher than linear expansion coefficient of metal of tube and finning; as a result, thermodynamic effectiveness of tube finning is increased at temperature variation from ambient temperature to operating temperature of heat exchange surface due to additional tightening of fin to tube surface and increase of contact spot of fin and surface of tube.

EFFECT: increasing thermodynamic efficiency of finning owing to lower thermal resistance in contact zone.

1 dwg

Description

Изобретенная теплообменная поверхность обладает наибольшей эффективностью в очень узкой области криогенных температур от 1,2 К до 7 К. Область техники, где она находит применение - криогенная техника, системы, использующие для охлаждения сверхтекучий гелий с температурой до 2,18 К, например рентгеновские лазеры на свободных электронах, детекторы космических излучений, источники синхротронного излучения.The invented heat exchange surface is most effective in a very narrow range of cryogenic temperatures from 1.2 K to 7 K. The technical field where it finds application is cryogenic technology, systems using superfluid helium with a temperature of up to 2.18 K for cooling, for example, x-ray lasers on free electrons, cosmic radiation detectors, synchrotron radiation sources.

Уровень техники.The prior art.

Известна теплообменная поверхность, опубликованная в статье UDC 621.59.048.: 66.073.5: 621.6.036 «New Compact Evaporators for Cryogenic Liquid Converters", авторы O.K.Красникова и др.Known heat transfer surface published in article UDC 621.59.048 .: 66.073.5: 621.6.036 "New Compact Evaporators for Cryogenic Liquid Converters", authors O.K. Krasnikova and others

Эта поверхность представляет собой металлическую трубку с оребрением в виде спирали из металлической проволоки, уложенную виток за витком на поверхность трубки, причем для увеличения термодинамической эффективности оребрения трубки в зазор между витками спирали уложена металлическая проволока, но проволока в аналоге уложена между витками спирали, что видно из чертежа и не увеличивает пятно контакта ребра и трубки, что существенно ухудшает термодинамические характеристики оребрения.This surface is a metal tube with fins in the form of a spiral of metal wire, laid coil by coil on the surface of the tube, and to increase the thermodynamic efficiency of the fins of the tube, a metal wire is laid in the gap between the turns of the spiral, but the wire in the analog is laid between the turns of the spiral, which is visible from the drawing and does not increase the contact spot of the ribs and tubes, which significantly impairs the thermodynamic characteristics of the fins.

Целью изобретения является создание высокоэффективной теплообменной поверхности для работы в разреженных потоках газа при низких температурах. Теплообменная поверхность, предлагаемая автором, позволяет работать в температурной зоне 1,60 К - 2,18 К.The aim of the invention is to provide a highly efficient heat transfer surface for operation in rarefied gas flows at low temperatures. The heat exchange surface proposed by the author allows you to work in the temperature zone of 1.60 K - 2.18 K.

Однако изобретенная теплообменная поверхность может применяться при изготовлении теплообменников, работающих в диапазоне температур от 1,2 К до 1200 К.However, the invented heat exchange surface can be used in the manufacture of heat exchangers operating in the temperature range from 1.2 K to 1200 K.

Прототипом изобретения можно считать теплообменную поверхность, опубликованную в статье Аннотации статей журнала "Химическое и нефтегазовое машиностроение" за 2008 г. Аннотации статей журнала №7/2008. Криогенная техника. Производство и применение промышленных газов. Холодильная техника O.K.Красникова, д-р техн. наук (ОАО «НПО ГЕЛИЙМАШ», г.Москва).The prototype of the invention can be considered a heat exchange surface published in the article Annotations of the journal "Chemical and Oil and Gas Engineering" for 2008. Annotations of the articles of the journal No. 7/2008. Cryogenic technique. Production and use of industrial gases. Refrigeration equipment O.K. Krasnikova, Dr. tech. Sciences (OAO NPO GELIYMASH, Moscow).

Где приведены результаты исследования модельных теплообменников типа «труба в трубе», теплообменная поверхность которых образована из поверхности труб, оребренных спиралью из проволоки, и которые являются наиболее перспективными для режима работы с малыми разностями температур. Из текста статьи ясно видно, что предметом изобретения можно считать теплообменную поверхность, представляющую собой металлическую трубку с оребрением в виде проволочной спирали, уложенную виток за витком на поверхность трубки, причем для увеличения термодинамической эффективности оребрения трубки в зазор между витками спирали уложена металлическая проволока, но проволока в аналоге уложена между витками спирали, автор же предлагает вставить металлическую проволочку внутрь спирали и сделать это с предварительно рассчитанным натягом, и материал проволочки внутри спирали подобрать таким образом, что с изменением температуры теплообменной поверхности от температуры окружающей среды до рабочей температуры за счет разных коэффициентов термического расширения происходит увеличение пятна контакта ребра и трубки, что существенно увеличивает эффективность оребрения теплообменной поверхности.Here are the results of the study of model tube-in-tube heat exchangers, the heat exchange surface of which is formed from the surface of pipes finned with a wire spiral, and which are the most promising for the mode of operation with small temperature differences. It is clearly seen from the text of the article that the subject of the invention can be considered a heat exchange surface, which is a metal tube with ribbing in the form of a wire spiral, laid coil by coil on the tube surface, and to increase the thermodynamic efficiency of the ribbing of the tube, a metal wire is laid in the gap between the turns of the spiral, but the wire in the analogue is laid between the turns of the spiral, the author suggests inserting a metal wire inside the spiral and doing this with a pre-calculated interference fit , and the wire material inside the spiral should be selected in such a way that with a change in the temperature of the heat exchange surface from the ambient temperature to the working temperature due to different coefficients of thermal expansion, an increase in the contact spot of the rib and tube occurs, which significantly increases the efficiency of fins of the heat exchange surface.

Вот почему на теплообменных поверхностях, принятых за прототип, не удается достичь температуры сверхтекучего гелия, равной 2,18 К, что и сказано в статье 0009-2355/80/0708-0400$07.50 ©, 1981, Plenum Publishing Corporation, стр.400.That is why it is not possible to achieve a superfluid helium temperature of 2.18 K on the heat exchange surfaces adopted as a prototype, which is stated in article 0009-2355 / 80 / 0708-0400 $ 07.50 ©, 1981, Plenum Publishing Corporation, p. 400.

Изобретена теплообменная поверхность, представляющая собой металлическую трубку с оребрением, в виде спирали из металлической проволоки, уложенную виток за витком на поверхность трубки, отличающуюся тем, что для увеличения пятна контакта в точке примыкания ребра оребрения и поверхности трубки внутрь спирали вставлена предварительно натянутая с заданным усилием металлическая проволока, такая, что если рабочая температура теплообменной поверхности больше температуры окружающей среды, то коэффициент линейного расширения вставленной проволочки подбирается меньше коэффициента линейного расширения металла трубки и оребрения, если же рабочая температура теплообменной поверхности меньше температуры окружающей среды, то коэффициент линейного расширения вставленной проволочки подбирается больше коэффициента линейного расширения металла трубки и оребрения, и, как следствие, при изменении температуры поверхности от температуры окружающей среды до рабочей температуры происходит дополнительное прижатие ребра к поверхности трубки и, тем самым, повышение термодинамической эффективности оребрения трубки из-за увеличения пятна контакта ребра и поверхности трубки.A heat exchange surface is invented, which is a metal tube with fins in the form of a spiral of metal wire, laid coil by coil on the surface of the tube, characterized in that a pre-stretched with a predetermined force is inserted inside the spiral to increase the contact spot at the point of contact of the fins and the surface of the tube metal wire, such that if the working temperature of the heat exchange surface is greater than the ambient temperature, then the linear expansion coefficient of the inserted rovings selected less than the coefficient of linear expansion of the metal of the tube and fins, if the working temperature of the heat exchange surface is less than the ambient temperature, then the coefficient of linear expansion of the inserted wire is selected more than the coefficient of linear expansion of the metal of the tube and fins, and, as a result, when the surface temperature changes from the ambient temperature medium to the operating temperature, an additional pressing of the rib to the surface of the tube and, thereby, an increase in thermodynamic the efficiency of the tube finning due to the increase in the contact spot of the rib and the tube surface.

На рисунке представлена фотография изобретенной теплообменной поверхности, гдеThe figure shows a photograph of an invented heat exchange surface, where

1 - металлическая трубка (оребряемая поверхность),1 - metal tube (ribbed surface),

2 - проволочная металлическая спираль (оребрение),2 - wire metal spiral (ribbing),

3 - прижимная металлическая проволока.3 - clamping metal wire.

Claims

A heat exchange surface, which is a tube surface finned with a metal wire spiral, characterized in that a metal wire with a pre-selected coefficient of linear expansion is inserted into the spiral and tensioned with a predetermined force, such that if the working temperature of the heat exchange surface is higher than the ambient temperature, then the linear coefficient the extension of the inserted wire is selected less than the coefficient of linear expansion of the metal of the tube and metal pro finning, if the working temperature of the heat-exchange surface is lower than the ambient temperature, then the linear expansion coefficient of the inserted wire is selected greater than the linear expansion coefficient of the tube metal and finning metal, as a result, the thermodynamic efficiency of the tube finning increases when the temperature changes from ambient temperature to operating temperature heat exchange surface due to an increase in the contact spot of the rib and the surface of the tube, which increases the thermo dynamic finning efficiency due to lower thermal resistance in the contact zone of the rib and tubular surface.