RU2672229C1

RU2672229C1 - Vortex heat exchange element

Info

Publication number: RU2672229C1
Application number: RU2017136460A
Authority: RU
Inventors: Евгений Васильевич Павлов; Сергей Геннадьевич Емельянов; Николай Сергеевич Кобелев; Светлана Викторовна Чепель; Игорь Васильевич Павлов
Priority date: 2017-10-17
Filing date: 2017-10-17
Publication date: 2018-11-12

Abstract

FIELD: heating equipment.SUBSTANCE: invention relates to the heating equipment, and can be used in heat exchangers, used in various branches of engineering, in particular in the reactor building gas-turbine installations regenerative heat exchangers. In the vortex heat exchanging element containing coaxially arranged one inside the other heat exchange cylindrical tubes of larger diameter and the inner tube with cylindrical surfaces, at that the larger diameter tube is divided into sections, inside each of the tubes installed at least, two swirlers of the same or different types, wherein one swirler is at the entrance to the site, and the second is at a distance between them, determined by the swirling flow rotational motion complete attenuation at full thermal load, moreover, heat carriers inputs into each of the pipe sections of larger diameter and the inner pipe are made either from the same side, or from opposite sides with respect to the flow movement, providing both countercurrent and straight-through flow patterns of the heat carriers in the element, at that, the inner pipe with cylindrical surfaces is made of bimetal, wherein, the inner pipe surface material from the hot heat carrier side has a thermal conductivity coefficient in 2.0–2.5 times higher than the inner pipe surface material from the cold heat carrier side, wherein, on the cylindrical pipe of a larger diameter, along the outer surface, in each section determined by the swirling flow rotational motion complete attenuation at full thermal load, the fins packages are made, wherein, the distance between the ribs in each package decreases, in addition on each edge of the package vertical surface, located on a cylindrical tube of larger diameter, the helical grooves are made, wherein, the tangent helical groove direction on the adjacent rib opposite vertical surface has a counterclockwise direction, the helical grooves curvature is made along the cycloid line as a brachistichrone, and the cavities look like a dovetail.EFFECT: enabling the ribs package heat transfer capacity constancy in the presence of the contamination solid particles in the heated heat carrier.1 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в теплообменниках, применяемых в различных отраслях техники, в частности в регенеративных теплообменниках газотурбинных установок реакторостроения.The invention relates to heat engineering and can be used in heat exchangers used in various fields of technology, in particular in regenerative heat exchangers of gas turbine reactor plants.

Известен вихревой теплообменный элемент (см. патент РФ №2456522, МПК F28D 7/10, опубл. 20.07.2012), содержащий соосно расположенные одна в другой теплообменные цилиндрические трубы большего диаметра и внутреннюю трубу с цилиндрическими поверхностями, при этом труба большего диаметра разделена на участки, внутри каждой из труб установлены, по крайней мере, два завихрителя одинакового или разного типов, причем один завихритель – на входе в участок, а второй – на расстоянии между ними, определяемом полным затуханием вращательного движения закрученного потока при полной тепловой нагрузке, кроме того, входы теплоносителей в каждый из участков трубы большего диаметра и внутренней трубы выполнены или с одной и той же стороны, или с противоположных сторон по отношению к движению потока, обеспечивая как противоточную, так и прямоточную схему движения теплоносителей в элементе, при этом внутренняя труба с цилиндрическими поверхностями выполнена из биметалла, причем материал поверхности внутренней трубы со стороны горячего теплоносителя имеет коэффициент теплопроводности в 2,0-2,5 раза выше, чем материал поверхности внутренней трубы со стороны холодного теплоносителя, причем на цилиндрической трубе большего диаметра по внешней поверхности на каждом участке, определяемом полным затуханием вращательного движения закрученного потока при полной тепловой нагрузке, выполнены пакеты ребер, причем расстояние между ребрами в каждом пакете уменьшается.Known vortex heat exchange element (see RF patent No. 2456522, IPC F28D 7/10, publ. 20.07.2012), containing coaxially arranged heat exchange cylindrical pipes of larger diameter and an inner pipe with cylindrical surfaces, while the pipe of larger diameter is divided into sections, inside each pipe at least two swirlers of the same or different types are installed, with one swirl at the entrance to the section, and the second at the distance between them, determined by the total attenuation of the rotational motion of the swirl flow at full heat load, in addition, the coolant inlets in each of the sections of the pipe of larger diameter and the inner pipe are made either from the same side or from opposite sides with respect to the flow movement, providing both countercurrent and direct-flow heat transfer scheme in the element, while the inner pipe with cylindrical surfaces is made of bimetal, and the surface material of the inner pipe from the side of the hot heat carrier has a thermal conductivity coefficient of 2.0-2.5 times higher, em material of the inner surface of the pipe by the cold coolant, wherein in the cylindrical tube of larger diameter on the outer surface at each portion defined by the complete attenuation of the rotary motion swirling flow at full thermal load packages made of ribs, the spacing between the ribs in each packet decreases.

Недостатком является снижение теплоотдающей способности пакета ребер при длительной эксплуатации вихревого теплообменного элемента, особенно в процессе использования для подогрева воды системы отопления жилого или промышленного помещения.The disadvantage is the decrease in the heat transfer capacity of the package of ribs during the long-term operation of the vortex heat-exchange element, especially in the process of using a heating system for a residential or industrial building to heat water.

Известен вихревой теплообменный элемент (см. патент РФ №2622340 МПК F28D 7/10, F28F 1/12, опубл. 14.06.2017. Бюл. №17) , содержащий соосно расположенные одна в другой теплообменные цилиндрические трубы большего диаметра и внутреннюю трубу с цилиндрическими поверхностями, при этом труба большего диаметра разделена на участки, внутри каждой из труб установлены, по меньшей мере, два завихрителя одинакового или разного типов, причем один завихритель – на входе в участок, а второй – на расстоянии между ними, определяемом полным затуханием вращательного движения закрученного потока при полной тепловой нагрузке, кроме того, входы теплоносителей в каждый из участков трубы большего диаметра и внутренней трубы выполнены или с одной и той же стороны, или с противоположных сторон по отношению к движению потока, обеспечивая как противоточную, так и прямоточную схему движения теплоносителей в элементе, при этом внутренняя труба с цилиндрическими поверхностями выполнена из биметалла, причем материал поверхности внутренней трубы со стороны горячего теплоносителя имеет коэффициент теплопроводности в 2,0-2,5 раза выше, чем материал поверхности внутренней трубы со стороны холодного теплоносителя, причем на цилиндрической трубе большего диаметра по внешней поверхности на каждом участке, определяемом полным затуханием вращательного движения закрученного потока при полной тепловой нагрузке, выполнены пакеты ребер, причем расстояние между ребрами в каждом пакете уменьшается, кроме того на вертикальной поверхности каждого ребра пакета, расположенного на цилиндрической трубе большего диаметра, выполнены винтообразные канавки, причем направление касательной винтообразной канавки на противоположной вертикальной поверхности рядом расположенного ребра имеет направление против хода движения часовой стрелки.Known vortex heat exchange element (see RF patent No. 2622340 IPC F28D 7/10, F28F 1/12, publ. 06/14/2017. Bull. No. 17), containing coaxially arranged one another heat-exchanging cylindrical pipes of a larger diameter and an inner pipe with cylindrical surfaces, while the larger diameter pipe is divided into sections, at least two swirls of the same or different types are installed inside each pipe, with one swirl at the entrance to the section and the second at a distance between them, determined by the total attenuation of the rotational motion swirling flow at full heat load, in addition, the coolant inlets in each of the sections of the pipe of larger diameter and the inner pipe are made either from the same side or from opposite sides with respect to the flow movement, providing both countercurrent and direct-flow motion coolants in the element, while the inner pipe with cylindrical surfaces is made of bimetal, and the surface material of the inner pipe from the side of the hot coolant has a thermal conductivity of 2, 0-2.5 times higher than the material of the surface of the inner pipe from the side of the coolant, and on the cylindrical pipe of larger diameter along the outer surface in each section, determined by the total attenuation of the rotational motion of the swirling flow at full heat load, ribs are made, and the distance between the ribs in each packet decreases, in addition, on the vertical surface of each rib of the packet located on a cylindrical pipe of larger diameter, helical grooves are made, moreover, the appearance of a tangent helical groove on an opposite vertical surface of a nearby rib has a direction counterclockwise.

Недостатком является уменьшение энергетической эффективности поверхности теплообмена пакета ребер при передаче тепловой энергии нагреваемому теплоносителю, особенно воды в системе отопления производственного помещения с наличием в ней твердых загрязнений в виде ржавчины и окалины, которые закупоривают лопасти винтообразных канавок, что способствует переходу в пограничном слое конвективного теплообменника из турбулентного движения потока в ламинарный со снижением теплоотдающей способности вихревого теплообменного элемента.The disadvantage is the decrease in the energy efficiency of the heat exchange surface of the package of fins when transferring thermal energy to the heated coolant, especially water in the heating system of the production room with the presence of solid contaminants in the form of rust and scale, which clog the blades of helical grooves, which contributes to the transition in the boundary layer of the convective heat exchanger from turbulent flow in the laminar flow with a decrease in the heat transfer capacity of the vortex heat exchange element.

Технической задачей предполагаемого изобретения является обеспечение постоянства энергетической эффективности поверхности теплообмена пакета ребер в изменяющихся условиях концентрации твердых загрязнений в нагреваемом теплоносителе при поддержании турбулизации в пограничном слое путем устранения закупоривания лопастей криволинейных канавок твердыми частицами. Это достигается за счет скорейшего перемещения твердых частиц загрязнений вследствие выполнения кривизны криволинейных канавок по линии циклоида как брахистохрона, а полостей в виде ласточкина хвоста.The technical task of the proposed invention is to ensure the constant energy efficiency of the heat exchange surface of the package of ribs in the changing conditions of the concentration of solid contaminants in the heated coolant while maintaining turbulization in the boundary layer by eliminating clogging of the blades of the curved grooves with solid particles. This is achieved due to the speedy movement of solid particles of contamination due to the curvature of the curved grooves along the line of the cycloid as a brachistochron, and cavities in the form of a dovetail.

Технический результат, обеспечивающий постоянство теплоотдающей способности пакета ребер при наличии твердых частиц загрязнений в нагреваемом теплоносителе достигается тем, что вихревой теплообменный элемент, содержащий соосно расположенные одна в другой теплообменные цилиндрические трубы большего диаметра и внутреннюю трубу с цилиндрическими поверхностями, при этом труба большего диаметра разделена на участки, внутри каждой из труб установлены, по меньшей мере, два завихрителя одинакового или разного типов, причем один завихритель – на входе в участок, а второй – на расстоянии между ними, определяемом полным затуханием вращательного движения закрученного потока при полной тепловой нагрузке, кроме того, входы теплоносителей в каждый из участков трубы большего диаметра и внутренней трубы выполнены или с одной и той же стороны, или с противоположных сторон по отношению к движению потока, обеспечивая как противоточную, так и прямоточную схему движения теплоносителей в элементе, при этом внутренняя труба с цилиндрическими поверхностями выполнена из биметалла, причем материал поверхности внутренней трубы со стороны горячего теплоносителя имеет коэффициент теплопроводности в 2,0-2,5 раза выше, чем материал поверхности внутренней трубы со стороны холодного теплоносителя, причем на цилиндрической трубе большего диаметра по внешней поверхности на каждом участке, определяемом полным затуханием вращательного движения закрученного потока при полной тепловой нагрузке, выполнены пакеты ребер, причем расстояние между ребрами в каждом пакете уменьшается, кроме того на вертикальной поверхности каждого ребра пакета, расположенного на цилиндрической трубе большего диаметра, выполнены винтообразные канавки, причем направление касательной винтообразной канавки на противоположной вертикальной поверхности рядом расположенного ребра имеет направление против хода движения часовой стрелки, при этом кривизна винтообразных канавок выполнена по линии циклоида как брахистохрона, а полости имеют вид ласточкина хвоста.The technical result, which ensures the constant heat transfer ability of the package of ribs in the presence of solid particles of contaminants in the heated coolant, is achieved by the fact that the vortex heat exchange element contains coaxially arranged one another heat transfer cylindrical pipes of larger diameter and an inner pipe with cylindrical surfaces, while the pipe of larger diameter is divided into sections, inside each pipe, at least two swirlers of the same or different types are installed, with one swirl b - at the entrance to the section, and the second - at the distance between them, determined by the total attenuation of the rotational motion of the swirling flow at full heat load, in addition, the coolant inlets to each of the sections of the pipe of larger diameter and the inner pipe are either on the same side , or from opposite sides with respect to the flow movement, providing both a counter-current and a straight-through flow diagram of the coolant in the element, while the inner pipe with cylindrical surfaces is made of bimetal, m the material of the surface of the inner pipe from the side of the hot coolant has a thermal conductivity coefficient of 2.0-2.5 times higher than the material of the surface of the inner pipe from the side of the coolant, and on a cylindrical pipe of larger diameter on the outer surface in each section, determined by the total attenuation of the rotational the movement of the swirling flow at full heat load, made packages of ribs, and the distance between the ribs in each package is reduced, in addition, on the vertical surface of each ribs and a packet located on a cylindrical pipe of larger diameter has helical grooves, and the direction of the tangent helical groove on the opposite vertical surface of the adjacent rib has a counterclockwise direction, while the curvature of the helical grooves is made along the cycloid line as a brachistochron, and the cavities are dovetail.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема вихревого теплообменного элемента; на фиг. 2 – характерное распределение тепловых удельных потоков от периферийных «горячих» слоев холодного и горячего теплоносителей, передаваемых теплопроводностью по толщине внутренней трубы из одноименного материала; на фиг. 3 – то же самое, что и на фиг. 2, только по толщине внутренней трубы из биметалла; на фиг. 4 – вертикальные поверхности рядом расположенных ребер пакета с выполненными винтообразными канавками, касательные которых имеют противоположное направление; на фиг. 5 – схемы движения микрозавихрений подогреваемой воды между вертикальными поверхностями ребер пакета, расположенного на цилиндрической трубе большего диаметра; на фиг. 6 – кривизна криволинейных канавок по линии циклоида как брахистохрона; на фиг. 7 – полость криволинейных канавок в виде ласточкина хвоста.In FIG. 1 is a schematic diagram of a vortex heat exchange element; in FIG. 2 - a characteristic distribution of heat specific flows from peripheral "hot" layers of cold and hot coolants transmitted by thermal conductivity through the thickness of the inner pipe of the same material; in FIG. 3 is the same as in FIG. 2, only by the thickness of the inner bimetal pipe; in FIG. 4 - vertical surfaces of adjacent ribs of the package with made helical grooves, the tangents of which have the opposite direction; in FIG. 5 - motion diagrams of micro-eddies of heated water between the vertical surfaces of the ribs of a package located on a cylindrical pipe of larger diameter; in FIG. 6 - curvature of the curved grooves along the line of the cycloid as a brachistochron; in FIG. 7 - cavity of curved grooves in the form of a dovetail.

Вихревой теплообменный элемент содержит соосно расположенные с зазором одна в другой теплообменные трубы 1 и 2. В трубе 2 большего диаметра на входном участке 4 установлен завихритель 3 для обеспечения вращения наиболее тяжелых частиц среды периферийной зоны 5 потока холодного теплоносителя (ХТ), расположенной как на внутренней поверхности 6 трубы 2 большего диаметра, выполненной цилиндрической, так и на наружной поверхности 7 внутренней трубы 1, выполненной также цилиндрической.The vortex heat exchange element contains heat exchange pipes 1 and 2 coaxially arranged with a gap in one another. A swirler 3 is installed in the pipe 2 of larger diameter at the inlet section 4 to provide rotation of the heaviest particles of the medium of the peripheral zone 5 of the cold coolant flow (XT) located both on the inside surface 6 of the pipe 2 of a larger diameter, made cylindrical, and on the outer surface 7 of the inner pipe 1, made also cylindrical.

Труба 2 состоит из двух, по меньшей мере, участков 8 и 9, снабженных патрубками подачи холодного теплоносителя 10 и 11, а от завихрителя 3 на расстоянии, определяемом значением полного затухания вращательного движения закрученного потока при полной тепловой нагрузке вихревого теплообменного элемента, расположены завихрители 12 и 13. Во внутренней трубе 1 завихритель 14 установлен на входном участке 15, при этом от него на расстоянии, определяемом значением полного затухания вращательного движения закрученного потока при полной тепловой нагрузке вихревого теплообменного элемента, размещен второй завихритель 16. При этом все завихрители 3, 12, 13, 14, 16, расположенные в теплообменных трубах 1 и 2, выполнены или одинакового или разного типов. Внутренняя труба 1 с цилиндрическими поверхностями выполнена из биметалла, причем материал внутренней поверхности имеет коэффициент теплопроводности в 2,0-2,5 раза выше, чем материал наружной поверхности 7 внутренней трубы 1 со стороны холодного теплоносителя. На цилиндрической трубе 2 большего диаметра по внешней поверхности 18 на каждом участке между завихрителями, определяемом полным затуханием вращательного движения закрученного потока, выполнены пакеты ребер 19, при этом расстояние между ребрами в каждом пакете уменьшается (l₁>l₂>l₃>…>l_n). Например, при расположении пакета ребер 19 на участке 8 внешней поверхности 18 цилиндрической трубы 2 после завихрителя 3 расположено ребро 20, а от него на расстоянии l₁ расположено ребро 21, а от него на расстоянии l₂ расположено ребро 22 и далее до завихрителя 12. Следующий пакет ребер расположен на участке 9 от завихрителя 12 до завихрителя 13 с таким же соотношением расстояний между ребрами (l₁>l₂>l₃>…>l_n). В указанной последовательности располагаются остальные пакеты ребер 19, количество которых определяется длиной вихревого теплообменного элемента. На вертикальной поверхности 23, 24 каждого ребра 20, 21 и 22 пакета ребер 19, расположенного на цилиндрической трубе 2 большего диаметра выполнены винтообразные канавки 25 и 26. При этом направление касательной винтообразной канавки 25, выполненной на вертикальной поверхности 23 ребра 20, имеет направление по ходу движения часовой стрелки (см., например, стр.509, Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике. М.: Наука, 1969. – 872 с., ил.), а направление касательной винтообразной канавки 26 на противоположной вертикальной поверхности 24 ребра 21 имеет направление против хода движения часовой стрелки и так далее по всему пакету ребер 19. Кривизна винтообразных канавок 25 и 26 выполнена по линии 27 и 28 циклоида или брахистохрона, а полость 29 каждой винтообразной канавки 25 и 26 имеет вид ласточкина хвоста.The pipe 2 consists of two at least sections 8 and 9, equipped with cold coolant supply pipes 10 and 11, and from the swirl 3 at a distance determined by the value of the total attenuation of the rotational movement of the swirling flow at full heat load of the vortex heat exchange element, swirls 12 are located and 13. In the inner tube 1, the swirl 14 is installed at the inlet section 15, while at a distance from it, determined by the value of the total attenuation of the rotational motion of the swirling flow at full heat load vortex heat exchange element, the second swirler is placed 16. In this case, all swirlers 3, 12, 13, 14, 16 located in the heat exchange tubes 1 and 2 are made of the same or different types. The inner pipe 1 with cylindrical surfaces is made of bimetal, and the material of the inner surface has a thermal conductivity of 2.0-2.5 times higher than the material of the outer surface 7 of the inner pipe 1 from the side of the coolant. Packs of ribs 19 are made on a cylindrical pipe 2 of larger diameter along the outer surface 18 in each section between the swirls, determined by the complete attenuation of the rotational motion of the swirling flow, while the distance between the ribs in each packet decreases (l ₁ > l ₂ > l ₃ >...> l _n ). For example, when the package of ribs 19 is located on a portion 8 of the outer surface 18 of the cylindrical pipe 2, after the swirler 3, a rib 20 is located, and a rib 21 is located at a distance l ₁ from it, and a rib 22 is located at a distance l ₂ from it and further to the swirl 12. The next package of ribs is located in section 9 from the swirler 12 to the swirl 13 with the same ratio of the distances between the ribs (l ₁ > l ₂ > l ₃ >...> l _n ). In this sequence are the remaining packages of ribs 19, the number of which is determined by the length of the vortex heat exchange element. On the vertical surface 23, 24 of each ribs 20, 21 and 22 of the package of ribs 19 located on a cylindrical pipe 2 of larger diameter, helical grooves 25 and 26 are made. The direction of the tangent helical groove 25 made on the vertical surface 23 of the ribs 20 has a direction along clockwise movement (see, for example, p. 509, M.Ya. Vygodsky, Handbook of Higher Mathematics. M .: Nauka, 1969. - 872 p., ill.), and the direction of the tangent helical groove 26 on the opposite vertical surface 24 ribs 21 has directions e against the clockwise movement and so on throughout the package of ribs 19. The curvature of the helical grooves 25 and 26 is made along the lines 27 and 28 of the cycloid or brachistochron, and the cavity 29 of each helical groove 25 and 26 has the form of a dovetail.

Вихревой теплообменный элемент работает следующим образом.Vortex heat exchange element operates as follows.

Перемещение нагреваемого теплоносителя, например, воды в системе отопления производственного или жилого помещения по трубопроводам и элементам арматуры приводит к образованию твердых частиц ржавчины и окалины, которые в процессе движения в полостях 29 криволинейных канавок 25 и 26, сталкиваясь друг с другом, укрупняются и закупоривают полости 29. Это обусловлено тем, что твердые частицы медленно, за счет только центробежных сил закрученного потока, движутся от начала (точка А) к концу (точка В) криволинейных канавок 25 и 26. В процессе закупоривания полостей 28 твердые частицы вытесняются в объем нагреваемого теплоносителя, что приводит к возрастанию концентрации загрязнений. В результате поверхности 23, 24 каждого ребра 20, 21 и 22 пакета ребер 19 становятся плоскими, т.е. отсутствует эффект завихрения и, как следствие, не происходит турболизация потока в пограничном слое и, соответственно, уменьшается энергетическая эффективность поверхности теплообмена пакета ребер 19.The movement of the heated coolant, for example, water in the heating system of a production or residential building through pipelines and fittings leads to the formation of solid particles of rust and scale, which, when moving in cavities 29 of curved grooves 25 and 26, collide with each other, coarsen and clog cavities 29. This is due to the fact that solid particles slowly, due to only the centrifugal forces of the swirling flow, move from the beginning (point A) to the end (point B) of the curved grooves 25 and 26. In the process of clogging cavities 28 solid particles are displaced into the volume of the heated coolant, which leads to an increase in the concentration of contaminants. As a result, the surfaces 23, 24 of each ribs 20, 21 and 22 of the package of ribs 19 become flat, i.e. there is no swirl effect and, as a result, there is no turbolization of the flow in the boundary layer and, accordingly, the energy efficiency of the heat exchange surface of the package of ribs 19 decreases.

При выполнении кривизны криволинейных канавок 25 и 26 по линии 27 и 28 циклоида как брахистохрона твердые частицы за кратчайшее время (под действием центробежных сил и силы тяжести), т.е. с максимальной скоростью, перемещаются из точки А в точку В каждой криволинейной канавки 25 и 26 с центром кривизны в точке 12 (см., например, стр.802 Некоторые замечательные кривые. М.Я. Выгодский. Справочник по высшей математике. М.: Наука, 1965. – 872 с., ил.). А выполнение полостей 29 в виде ласточкина хвоста предотвращает выталкивание твердых частиц в объем нагреваемого теплоносителя с последующим изменением концентрации загрязнений и ухудшением теплообменного процесса передачи тепловой энергии (см., например, стр.192, П.В.Цой. Методы расчета отдельных задач тепломассопереноса. – М.: Энергия, 1971. – 384с., ил.).When curvature of the curved grooves 25 and 26 is performed along lines 27 and 28 of the cycloid as a brachistochrone, solid particles in the shortest time (under the action of centrifugal forces and gravity), i.e. with maximum speed, they move from point A to point B of each curved groove 25 and 26 with the center of curvature at point 12 (see, for example, p. 802 Some remarkable curves. M.Ya. Vygodsky. Handbook of higher mathematics. M: Nauka, 1965 .-- 872 p., Ill.). And the implementation of the cavities 29 in the form of a dovetail prevents the ejection of solid particles into the volume of the heated coolant with a subsequent change in the concentration of contaminants and the deterioration of the heat transfer process of heat transfer (see, for example, page 182, P.V. Tsoi. Methods for calculating individual heat and mass transfer problems. - M .: Energy, 1971. - 384s., Ill.).

В результате выполнения криволинейных канавок 25 и 26 с кривизной по линии 27 и 28 циклоида как брахистохрона с полостями 29 в виде ласточкина хвоста обеспечивается поддержание нормированной теплоотдающей способности поверхностей 23 и 24 пакета ребер 19 при длительной эксплуатации вихревого теплообменного элемента с наличием изменяющейся концентрации твердых частиц загрязнений в нагреваемом теплоносителе.As a result of the execution of curved grooves 25 and 26 with a curvature along the line 27 and 28 of the cycloid as a brachistochron with cavities 29 in the form of a dovetail, the normalized heat transfer ability of the surfaces 23 and 24 of the package of ribs 19 is maintained during long-term operation of the vortex heat exchange element with a varying concentration of solid particles of contaminants in a heated coolant.

По мере перемещения потока подогреваемой воды системы отопления или внутреннего воздуха производственного помещения при конвективном теплообмене в межреберном пространстве пакетов ребер 19, особенно в местах соединения ребер 20, 21, 22 с цилиндрической трубой 2 большего диаметра, образуются «застойные зоны» с пограничным слоем, в котором наблюдается ламинарное движение теплоносителя с преимущественным процессом передачи теплоты лишь теплопроводностью вместо конвективного теплообмена, что значительно уменьшает коэффициент теплопередачи (см., например, стр.160, Исаченко В.П. и др. Теплопередача. – М.: Энергоиздат, 1981. – 416с., ил.) и, как следствие, снижается эффективность использования вихревого теплообменного элемента как источника тепловой энергии.As the flow of heated water from the heating system or the internal air of the production room moves during convective heat transfer in the intercostal space of the packages of ribs 19, especially at the junctions of the ribs 20, 21, 22 with a cylindrical pipe 2 of larger diameter, “stagnant zones” with a boundary layer are formed, in which there is laminar motion of the coolant with the predominant heat transfer process only by thermal conductivity instead of convective heat transfer, which significantly reduces the heat transfer coefficient and (see, for example, p. 160, V. Isachenko et al. Heat transfer. - M .: Energoizdat, 1981. - 416 p., ill.) and, as a result, the efficiency of using the vortex heat exchange element as a heat source energy.

Для устранения «застойных зон» с ламинарным движением теплоносителя в пограничном слое контакта основания ребер 20, 21, 22 с цилиндрической трубой 2 на вертикальных поверхностях 23 и 24 соответствующих ребер выполнены винтообразные канавки 25 и 26. Подогреваемый теплоноситель (вода системы отопления или внутренний воздух производственного помещения при его конвективном теплообменном нагреве) при движении в межреберном пространстве пакета ребер 19 частично одновременно перемещается как по винтообразным канавка 25, так и по винтообразным канавкам 26. В связи с тем, что перемещение одной части теплоносителя на вертикальной плоскости 23 ребра 20 осуществляется по ходу движения часовой стрелки, а перемещение его другой части по вертикальной плоскости 24 рядом стоящего ребра 21 осуществляется против хода движения часовой стрелки, то в пространстве между ребрами 20 и 21 появляются встречно движущиеся закрученные микропотоки, которые образуют микрозавихрения с резкой турбулизацией пограничного слоя как в местах соединения ребер 20 и 21 с цилиндрической трубой 2, так и по вертикальным поверхностям 23 и 24. В результате поддерживается нормированное значение коэффициента теплоотдачи за счет турбулизации течения теплоносителя в пограничном слое «застойных зон» пакета ребер 19 (см., например, стр.378, Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. – М.: Высшая школа, 1980. – 469с., ил.). Кроме того, устранение образования «застойных зон» предотвращает возможность накопления различных загрязнений, сопутствующих движению обогреваемого теплоносителя (при движении воды системы отопления – это ржавчина, окалина, при нагреве внутреннего воздуха помещений – твердые частицы пыли, мелкодисперсная влага) как на вертикальных поверхностях 23 и 24 соответствующих ребер 20 и 21, так и на внешней поверхности цилиндрической трубы 2. Это также ухудшает процесс передачи тепловой энергии окружающей среде в связи с переходом процесса теплообмена в тепломассообмен, когда часть тепловой энергии затрачивается на дополнительный нагрев частиц загрязнений, а не на повышение температуры окружающей среды. Термодинамическое расслоение ХТ на «холодный» осевой и «горячий» периферийный слои приводит к наличию на внутренней поверхности 6 трубы 2 большего диаметра пограничного слоя с тяжелыми частицами среды, имеющими более высокую температуру («горячий слой»), чем ХТ в целом. В результате наблюдается передача теплоты теплопроводностью по толщине цилиндрической трубы 2 с нагревом наружной поверхности 18 до температуры более высокой, чем окружающая среда. Полученный избыток тепла может использоваться как источник тепловой энергии, например, в системе отопления жилого дома или производственного помещения для конвективного обмена с внутренним воздухом.To eliminate “stagnant zones” with laminar motion of the coolant in the boundary layer of the contact of the base of the ribs 20, 21, 22 with a cylindrical pipe 2, helical grooves 25 and 26 are made on the vertical surfaces 23 and 24 of the corresponding ribs. Heated coolant (heating system water or internal production air premises when it is convectively heat-exchanged heating) when moving in the intercostal space of the package of ribs 19 partially simultaneously moves along the helical groove 25, and along the helical grooves am 26. Due to the fact that the movement of one part of the coolant on the vertical plane 23 of the rib 20 is carried out in the direction of clockwise movement, and the movement of its other part on the vertical plane 24 of the adjacent rib 21 is carried out counterclockwise, then in the space between ribs 20 and 21 appear to meet counter-moving swirling microflows that form micro-eddies with sharp turbulence of the boundary layer both at the junctions of the ribs 20 and 21 with a cylindrical pipe 2, and along the vertical top ostyam 23 and 24. As a result supported the normalized value of heat transfer coefficient due to the turbulence of coolant flow in the boundary layer of "dead zones" package ribs 19 (see., e.g., str.378, VV Nashchokin Technical thermodynamics and heat transfer. - M .: Higher school, 1980 .-- 469 p., Ill.). In addition, the elimination of the formation of “stagnant zones” prevents the possibility of accumulation of various contaminants associated with the movement of the heated coolant (when moving the heating system water - it is rust, scale, when heating the indoor air - solid dust particles, fine moisture) as on vertical surfaces 23 and 24 corresponding ribs 20 and 21, and on the outer surface of the cylindrical pipe 2. This also impairs the process of transfer of thermal energy to the environment due to the transition of the process to heat exchange in heat and mass transfer, when part of the thermal energy is spent on additional heating of pollution particles, and not on increasing the ambient temperature. The thermodynamic stratification of CT into the “cold” axial and “hot” peripheral layers leads to the presence on the inner surface 6 of the pipe 2 of a larger diameter of the boundary layer with heavy particles of the medium having a higher temperature (“hot layer”) than the CT as a whole. As a result, heat transfer by thermal conductivity through the thickness of the cylindrical pipe 2 is observed with the heating of the outer surface 18 to a temperature higher than the environment. The resulting excess heat can be used as a source of thermal energy, for example, in the heating system of a residential building or industrial premises for convective exchange with internal air.

Известно, что набольшей теплоотдающей способностью обладают поверхности теплообменных аппаратов в виде пластинчатых ребер (см., например, стр.168, Коваленко Л.М., Глушков А.Ф. Теплообменники интенсификацией теплоотдачи. – М.: Энергоиздат, 1968. – 240с.). Особенностью теплообмена в вихревом теплообменном элементе между закрученными горячим теплоносителем (ГТ) и ХТ является то, что температура как термодинамически расслоенных слоев, так и температура стенки, а, следовательно, и количество теплоты, передаваемой теплопроводностью по толщине стенки трубы 2 большего диаметра уменьшается на участке от одного из завихрителей (например, завихрителя 3) до полного его затухания (до завихрителя 12).It is known that the surface of heat exchangers in the form of plate fins has the highest heat transfer capacity (see, for example, p. 168, Kovalenko L.M., Glushkov A.F. Heat exchangers by intensification of heat transfer. - M.: Energoizdat, 1968. - 240 p. ) A feature of heat transfer in a vortex heat exchange element between swirling hot heat carrier (HT) and HT is that the temperature of both thermodynamically stratified layers and the wall temperature, and, consequently, the amount of heat transferred by the thermal conductivity along the wall thickness of the pipe 2 of larger diameter decreases in the area from one of the swirlers (for example, swirl 3) to its complete attenuation (to swirl 12).

Поэтому для поддержания максимальной теплоотдачи по внешней поверхности трубы 2 расположены пакеты ребер, при этом расстояние между ребрами в каждом пакете уменьшается l₁>l₂>l₃>…>l_n. Снижение температуры на внешней поверхности 18 трубы 2 в зоне затухания вращающегося потока при передаче тепла в окружающую среду компенсируется увеличением количества пластинчатых ребер вследствие уменьшения расстояния между ними в данной зоне. В результате тепловой поток равномерно распределяется по пакету ребер 19 и осуществляет подогрев контактируемого с внешней поверхностью 18 трубы 2 внутреннего воздуха помещения с максимальной отдачей тепловой энергии, соответствующей условно одинаковой температуре внешней поверхности 18 на участке 8 (или 9 и т.д.) трубы 2 большего диаметра вне зависимости от процесса затухания вращающегося потока. Данное конструктивное решение существенно увеличивает возможности использования вихревого теплообменного элемента. При термодинамическом расслоении ГТ на выходе из завихрителя 14 (соответственно, на последующих завихрителях 16, установленных на определенном расстоянии по ходу движения ГТ во внутренней трубе 1) наблюдается его расслоение на «горячий» периферийный и «холодный» осевой слои (см., например, Меркулов В.П. Вихревой эффект и его применение в промышленности – Куйбышев, 1969. – 369с.). Конвекцией теплота от горячего слоя ГТ (см. фиг.1) передается внутренней поверхности 17 внутренней трубы 1, а далее посредством теплопроводности осуществляется нагрев по толщине материала внутренней трубы 1. Одновременно ХТ, проходя завихритель 3 (и завихрители 12, 13, расположенные на расстоянии, определяемом значением полного затухания каждого участка 9, 9 трубы большего диаметра), находящийся внутри трубы 2 большего диаметра, на его выходе также расслаивается на «горячий» периферийный, находящийся в зоне 5, и «холодный» осевой слои, при этом «горячий» слой контактирует с наружной поверхностью 7 внутренней трубы 1, отдавая ей свою теплоту конвекцией и далее теплопроводностью. Потоки ГТ и ХТ закручиваются и перемешиваются в осевом направлении, одновременно осуществляя и вращательное движение. В связи с интенсивным теплообменом между вращающимся потоком ХТ в трубе 2 и наружной поверхностью 7 внутренней трубы 1 происходит еще больший нагрев периферийного слоя ХТ в зоне 5, благодаря чему образуется ХТ с неоднородным полем плотности, что приводит к непрерывному замещению менее тяжелых частиц ХТ с тяжелыми, и этот процесс продолжается вплоть до затухания вращательного движения потока. В результате при выполнении внутренней трубы 1 из однородного материала с постоянным коэффициентом теплопроводности наблюдается процесс затухания передачи теплоты от ГТ к ХТ (см. фиг.2) из-за наличия в зоне 5, контактирующей с наружной поверхностью 7, теплового потока, идущего от «горячего» слоя ХТ, направленного вглубь толщины внутренней трубы 1.Therefore, to maintain maximum heat transfer on the outer surface of the pipe 2 are packages of ribs, while the distance between the ribs in each package decreases l ₁ > l ₂ > l ₃ >...> l _n . The decrease in temperature on the outer surface 18 of the pipe 2 in the decay zone of the rotating flow during heat transfer to the environment is compensated by an increase in the number of plate fins due to a decrease in the distance between them in this zone. As a result, the heat flux is evenly distributed over the package of ribs 19 and heats the room in contact with the outer surface 18 of the pipe 2 of the indoor air with the maximum heat output corresponding to the conditionally identical temperature of the outer surface 18 in section 8 (or 9, etc.) of the pipe 2 larger diameter, regardless of the process of attenuation of a rotating stream. This design solution significantly increases the possibility of using a vortex heat exchange element. When thermodynamic separation of the HT at the exit of the swirl 14 (respectively, on subsequent swirls 16 installed at a certain distance along the path of the HT in the inner tube 1), its separation into the “hot” peripheral and “cold” axial layers is observed (see, for example, Merkulov V.P. Vortex effect and its application in industry - Kuibyshev, 1969. - 369 p.). By convection, the heat from the hot layer of the GT (see Fig. 1) is transferred to the inner surface 17 of the inner pipe 1, and then through the heat conduction, the thickness of the material of the inner pipe 1 is heated. At the same time, the CT passes through the swirler 3 (and swirlers 12, 13 located at a distance , determined by the value of the total attenuation of each section 9, 9 of the pipe of larger diameter), located inside the pipe 2 of larger diameter, at its output is also stratified into a “hot” peripheral layer located in zone 5 and a “cold” axial layer, with the hot "layer is in contact with the outer surface 7 of the inner pipe 1, giving it its heat by convection and then thermal conductivity. The flows of GT and HT are twisted and mixed in the axial direction, while simultaneously performing rotational motion. In connection with the intense heat exchange between the rotating flow of chemically pure particles in the pipe 2 and the outer surface 7 of the inner pipe 1, an even greater heating of the peripheral layer of chemotubes in zone 5 occurs, which results in the formation of chemotubes with an inhomogeneous density field, which leads to the continuous replacement of less heavy particles with heavy , and this process continues until the rotational motion of the flow attenuates. As a result, when the inner pipe 1 is made of a homogeneous material with a constant coefficient of thermal conductivity, a process of attenuation of heat transfer from the HT to the HT is observed (see FIG. 2) due to the presence of heat flux coming from “in the zone 5 in contact with the outer surface 7” hot "layer of HT, directed deep into the thickness of the inner pipe 1.

Таким образом, в результате встречного направления тепловых потоков ГТ и ХТ количество теплоты, передаваемое теплопроводностью через материал внутренней трубы 1, определяется разностью количеств теплоты

и

, т.е.

. При этом взаимодействие теплоты, передаваемой теплопроводностью и идущей от периферийного потока ГТ (

), и теплоты, передаваемой конвекцией из зоны 5 и далее передаваемой теплопроводностью от периферийного «горячего» потока ХТ (

), осуществляется примерно на средней линии по толщине стенки внутренней трубы 1 (см. фиг.2), т.к. коэффициент теплопроводности стенки внутри трубы и постоянен по ее толщине. Как следствие, наблюдается значительные теплопотери процесса теплопроводности по толщине трубы 1, а это, соответственно, резко снижает эффективность вихревого способа передачи теплоты, что и обуславливает практическое отсутствие использования в промышленности теплообменных аппаратов с вихревым способом теплопередачи.Thus, as a result of the opposite direction of the heat fluxes of GT and HT, the amount of heat transferred by the thermal conductivity through the material of the inner pipe 1 is determined by the difference in the quantities of heat

and

, i.e.

. In this case, the interaction of heat transmitted by thermal conductivity and coming from the peripheral flow of GT (

), and the heat transferred by convection from zone 5 and then transferred by the thermal conductivity from the peripheral “hot” stream of XT (

), is carried out approximately on the midline along the wall thickness of the inner pipe 1 (see figure 2), because the coefficient of thermal conductivity of the wall inside the pipe and is constant in its thickness. As a result, significant heat losses of the heat conduction process over the thickness of the pipe 1 are observed, and this, accordingly, sharply reduces the efficiency of the vortex heat transfer method, which leads to the practical absence of the use of heat exchangers with a vortex heat transfer method in the industry.

Для устранения данного явления внутренняя труба 1 выполняется из биметалла таким образом, что коэффициент теплопроводности

материала внутренней поверхности 17 внутренней трубы 1 со стороны движения ГТ имеет значение в 2,0-2,5 раза выше коэффициента теплопроводности

материала внешней поверхности 7 внутренней трубы 1 со стороны движения ХТ, при этом толщина каждого из составляющих материалов биметалла имеет равное значение по толщине стенки внутренней трубы 1. теплота от периферийного «горячего» слоя ГТ передается к внутренней поверхности 17 внутренней трубы 1 с конвекцией и далее теплопроводностью по материалу биметалла с повышенным значением коэффициента теплопроводности и имеет более высокий градиент температур, чем теплота, передаваемая от периферийного потока ХТ к внешней поверхности 7 внутренней трубы теплопроводностью по материалу биметалла с пониженным значением коэффициента теплопроводности. В этом случае область контакта встречно направленных тепловых потоков смещается в сторону внешней поверхности 7 внутренней трубы 1 и составляет около 20% расстояния от внешней поверхности 7 (см. фиг3), и это приводит к существенному сокращению теплопотерь, обусловленных направлением теплоты по толщине внутренней трубы 1, что позволяет существенно повысить эффективность использования способа передачи теплоты в рекуперативных теплообменниках, например, с расположением завихрителей внутри полости как трубы 2 с большим диаметром, так и внутри внутренней трубы 1. To eliminate this phenomenon, the inner pipe 1 is made of bimetal in such a way that the thermal conductivity

material of the inner surface 17 of the inner pipe 1 from the side of the movement of the gas has a value of 2.0-2.5 times higher than the coefficient of thermal conductivity

material of the outer surface 7 of the inner pipe 1 from the side of the XT movement, while the thickness of each of the bimetal component materials has an equal value along the wall thickness of the inner pipe 1. Heat is transferred from the peripheral "hot" layer of the HT to the inner surface 17 of the inner pipe 1 with convection and further thermal conductivity on the material of bimetal with a higher value of the coefficient of thermal conductivity and has a higher temperature gradient than the heat transferred from the peripheral flow of CT to the outer surface 7 of the inner it pipe thermal conductivity bimetal material with reduced thermal conductivity value. In this case, the contact area of the counter-directed heat fluxes is shifted towards the outer surface 7 of the inner pipe 1 and is about 20% of the distance from the outer surface 7 (see Fig. 3), and this leads to a significant reduction in heat loss due to the direction of heat through the thickness of the inner pipe 1 , which allows to significantly increase the efficiency of using the method of heat transfer in recuperative heat exchangers, for example, with the arrangement of swirls inside the cavity as a pipe 2 with a large diameter, and inside inner pipe 1.

Оригинальность предлагаемого технического решения в условиях изменяющейся концентрации твердых частиц в виде ржавчины и окалины, образующихся в нагреваемом теплоносителе при длительной эксплуатации системы отопления производственного или жилого помещения обеспечивается тем, что достигается постоянство энергетической эффективности вихревого теплообменного элемента за счет скорейшего перемещения загрязнений в полостях в виде ласточкина хвоста криволинейных канавок, кривизна которых выполнена по линии циклоида как брахистохрона. The originality of the proposed technical solution in the conditions of a changing concentration of solid particles in the form of rust and scale formed in the heated coolant during long-term operation of the heating system of a production or residential building is ensured by the fact that the energy efficiency of the vortex heat-exchange element is achieved due to the speedy movement of pollution in the form of a swallow tail of curved grooves, the curvature of which is made along the line of the cycloid as a brachistochron.

Claims

A vortex heat exchange element containing coaxially arranged one another heat transfer cylindrical pipes of larger diameter and an inner pipe with cylindrical surfaces, while the pipe of larger diameter is divided into sections, at least two swirls of the same or different types are installed inside each pipe, one swirler - at the entrance to the site, and the second - at a distance between them, determined by the total attenuation of the rotational motion of the swirling flow at full heat load, in addition, the inputs coolants in each of the sections of the pipe of larger diameter and the inner pipe are made either from the same side or from opposite sides with respect to the flow movement, providing both countercurrent and straight-through flow patterns of the coolants in the element, while the inner pipe with cylindrical surfaces made of bimetal, moreover, the material of the surface of the inner pipe from the side of the hot heat carrier has a thermal conductivity coefficient of 2.0-2.5 times higher than the material of the surface of the inner pipe from the side of x packs of ribs are made on a cylindrical pipe of larger diameter on a cylindrical pipe of larger diameter along the outer surface in each section, determined by the total attenuation of the rotational motion of the swirling flow at full heat load, and the distance between the ribs in each packet decreases, moreover, on the vertical surface of each rib of the packet, located on a cylindrical pipe of larger diameter, helical grooves are made, and the direction of the tangent helical groove on the opposite vertical The surface of a nearby rib has a direction opposite the clockwise direction, characterized in that the curvature of the helical grooves is made along the line of the cycloid as a brachistochron, and the cavities have the form of a dovetail.