Теплообменная биметаллическая ребристая труба

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ТЕПЛООБМЕННАЯ БИМЕТАЛЛИЧЕСКАЯ РЕБРИСТАЯ ТРУБА(71) Заявитель Учреждение образования Белорусский государственный технологический университет(72) Авторы Кунтыш Владимир Борисович Мулин Виктор ПетровичМиннигалеев Альберт ШамилевичПиир Адольф ЭдвардовичГаязов Ильшат РаисовичСоловьев Алексей Леонидович(73) Патентообладатель Учреждение образования Белорусский государственный технологический университет(57) 1. Теплообменная биметаллическая ребристая труба, состоящая из несущей металлической трубы круглого поперечного сечения с нанесенной на ее наружной поверхности искусственной шероховатостью в виде рельефных рифлений впадина-выступ и завальцованной в них горизонтальной полки спирально навитого под натягом ребра -образного поперечного сечения из теплопроводного пластичного металла, отличающаяся тем, что рифления представляют собой сеть 4-угольных пирамид, примыкающих своими основаниями друг к другу. 2. Теплообменная биметаллическая ребристая труба по п. 1, отличающаяся тем, что уголпри вершине каждой грани 4-угольной пирамиды находится в интервале 6090. 3. Теплообменная биметаллическая ребристая труба по п. 1, отличающаяся тем, что уголвзаимного пересечения рядов остроконечных 4-угольных пирамид находится в интервале 6090.(56) 1. Шмеркович В.М. Современные конструкции аппаратов воздушного охлаждения // Обзор. информ. Сер. Химическое и нефтеперерабатывающее машиностроение. - М. ЦИНТИхимнефтемаш, 1979. - С. 27-32. 2. Кунтыш В.Б., Кузнецов Н.М. Тепловой и аэродинамический расчеты оребренных теплообменников воздушного охлаждения. - СПб. Энергоатомиздат, 1992. - С. 60, 37-44,245-248. 3. Кунтыш В.Б., Бессонный А.Н., Дрейцер Г.А., Егоров И.Ф. Примеры расчетов нестандартизированных эффективных теплообменников / Под ред. В.Б.Кунтыша и А.Н.Бессонного. - СПб. Недра, 2000. - С. 86-88. 4. Динцин В.А., Розенштейн И.Л. Утилизация тепловой энергии удаляемого воздуха в системах кондиционирования воздуха и вентиляции. // Обзор. информ. Сер. 11 Кондиционеры, калориферы, вентиляторы. - М. ЦНИИТЭстроймаш, 1985. - С. 22-23. 5. Патент на полезную модель 4814 РБ. МПК (2006)28 1/00,25 7/00, В 21 С 37/15. Теплообменная ребристая труба / В.Б. Кунтыш, В.И. Володин, Е.С. Санкович и др. Опубл. 30.10.2008 (прототип). Полезная модель относится к конструкциям теплообменных биметаллических ребристых труб (БРТ), а конкретно к металлическим трубам круглого поперечного сечения с навитыми под натягом из пластичного теплопроводного металла спиральными ребрами образного поперечного сечения 1. В зависимости от применяемой технологии -ребра могут быть одно- или двухзаходными, а в качестве материала для их изготовления наиболее часто применяется алюминий или его сплавы 1, 1. Круглая труба, которую оребряют, называется несущей. Теплообменные БРТ с -ребрами из алюминия нашли определенное применение в теплообменных секциях аппаратов воздушного охлаждения(АВО) на компрессорных станциях магистральных газопроводов, в ректификационных установках разделения нефтина нефтеперерабатывающих заводов, в калориферах и воздухоохладителях систем кондиционирования, в конденсаторах крупных холодильных машин, в теплоутилизаторах теплоты вентиляционных выбросов. В случаях закатки горизонтальной полки спирального -ребра методом деформации ее поверхностей, например вращающимся роликом, в искусственные рифления (шероховатость) 2 на наружной поверхности несущей трубы по существующей классификации получается -ребро 1, 2, а теплообменную трубу с такими ребрами называют как БРТ с -ребрами. Основными преимуществами этих теплообменных труб являются меньший в 1,6-1,9 раза расход алюминия 3 на оребрения 1 м трубы по сравнению с этим показателем для БРТ с накатными алюминиевыми ребрами. По энергетической эффективности трубы с -ребрами не уступают накатным ребрам. Шероховатость поверхности несущей трубы увеличивает площадь контактной поверхности до 502, 3. Следовательно, несущая труба подвергается более низким термическим напряжениям при теплопередаче и возрастает сопротивляемость знакопеременным термическим нагрузкам. Благодаря этой конструкции механического соединения полки -ребра с несущей трубой БРТ с -ребрами могут надежно эксплуатироваться при температуре стенки до 270275 С в сравнении с БРТ, у которых -ребра имеют гладкую контактную поверхность и механическое соединение их обеспечивается лишь натягом исходной ленты для оребрения, применение их возможно лишь до температуры стенки 120-130 С. Однако в нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, металлургической промышленности имеется значительное количество технологических процессов, в которых охлаждаемый продукт поступает внутрь труб теплообменника с температурой 310320 С и выше, при этом температура стенки в контактной зоне БРТ достигает 290 С и больше. Применение труб с -ребрами не допускается, и их промышленную нишу по 2 54572009.08.30 разрешенным температурам занимают БРТ с накатными алюминиевыми ребрами 2, которые значительно дороже, менее экономичны. Актуальность задачи расширения температурного диапазона применимости БРТ с -ребрами очевидна. Основным техническим недостатком любого конструктивного типа БРТ является возникновение термического контактного сопротивления (ТКС) при передаче теплового потока ввиду отсутствия гомогенного (металлургического) соединения ребра со стенкой несущей трубы. Численное значение ТКС, м 2 К/Вт, БРТ определяется по экспериментальным данным(1) кк/(/к)к/к,где к - температурный перепад на механическом контакте соприкасаемых поверхности ребристой оболочки и поверхности несущей трубы, К- передаваемый тепловой поток, Вт к - номинальная геометрическая площадь контактной поверхности, м 2 к(/к) - плотность теплового потока в контактной зоне, Вт/м 2. Теоретические и экспериментальные исследования ТКС указывают на доминирующее влияние контактного давления Рк и площади к контактируемых поверхностей при прочих одинаковых условиях. Величина Рк зависит от технологии оребрения, доведена до максимального значения, что лишает возможности воздействовать этим параметром на уменьшение ТКС, т.е. к. Вместе с этим площадь к является параметром, значение которого поддается доступному изменению. С увеличением к темп снижения температурного перепада к опережает уменьшение к и окончательно достигаются меньшие численные величины к. При одинаковых значениях составляющих термического сопротивления теплопередаче меньшему значению ТКС (к) соответствует больший коэффициент теплопередачи , Вт/(м 2 К), БРТ. Увеличивается тепловой поток , Вт, передаваемый теплообменником из БРТ в одинаковых габаритах, что следует из выражения(2),где- площадь поверхности теплопередачи, м 2- средний температурный напор, К. Известна конструкция теплообменной БРТ 4 с навитыми однозаходными спиральными алюминиевыми -ребрами. В конструкции трубы осуществлен изложенный выше метод уменьшения ТКС и расширения надежного температурного диапазона применимости развитием площади к поверхности в зоне контакта полки -ребра с несущей трубой. Для этого на наружной поверхности круглой несущей трубы нанесена по продольным образующим механическим способом искусственная шероховатость в виде рельефных рифлений впадина-выступ глубиной и шириной 0,2-0,3 мм с шагом 1-2 мм, а затем для достижения надежного прочно-плотного соединения горизонтальной полки-ребра применена ее закатка вращающимся роликом с зубчатым профилем рельефных рифлений на несущей трубе. Наши исследования показали уменьшение значения ТКС в 1,14-1,42 раза 2 в зависимости от значения к и повышения допустимой температуры стенки в контактной зоне до 270-275 С. Однако развитие площади поверхности контактной зоны ограничивается верхним пределом в 1,5 раза в сравнении с поверхностью гладкостенного контакта, что указывает на исчерпание технических возможностей за счет продольных рифлений повышения теплоэнергетической эффективности БРТ. Наиболее близкой по технической сущности и достигаемым результатам к заявляемой полезной модели теплообменной биметаллической ребристой трубы является теплообменная ребристая труба 5, которая принята нами за прототип. Прототип представляет БРТ, в которой на наружной поверхности круглой несущей трубы предусмотрено нанесение искусственной шероховатости в виде -образных рифлений шевронного типа с углом при вершине 100-160, затем на нее навивается под натягом спиральное алюминиевое ребро -образного сечения, и в случае его однозаходности горизонтальная полка, длина которой равна шагуэтого ребра, одновременно располагается на обеих сторонах рифления 3 54572009.08.30 шевронного типа таким образом, чтобы длина полки на каждой стороне была равна половине ширинышевронного рифления, которая назначается равной шагуребер, т.е.. Значит, длина полки -ребра на каждой стороне (можно назвать дорожке) шевронного рифления равна 0,50,5. Следовательно, одна половина длины полки находится, например, на левой дорожке, а вторая половина длины полки - на правой дорожке шеврона. При двухзаходном оребрении горизонтальная полка -ребра каждого захода располагается на половине, т.е. 0,5 ширины шевронного рифления. Для образования прочноплотного механического соединения полки -ребра с поверхностью несущей трубы производится ее закатка соответствующим инструментом, например вращающимся роликом в шевронные рифления, а в итоге получается теплообменная труба с -ребрами. В конструкции трубы-прототипа в большой мере ликвидировано или частично сужено проявление основных недостатков, присущих трубам с -ребрами, у которых полка закатывается в продольные искусственные рифления впадина-выступ. Произошло уменьшение ТКС на 32-40 , расширен температурный диапазон применимости такой трубы до 290 С. В целом конструкция трубы-прототипа весьма прогрессивна, но заложенное техническое решение на увеличение площади поверхности в контактной зоне оребрения за счет нанесения рифлений типа шеврон исчерпало свои возможности по дальнейшему повышению энергетической эффективности и температурного диапазона труб с -ребрами. Выполненные нами экспериментальные исследования по методике 2 отдельных опытных образцов труб с -ребрами с шевронным рифлением оптимальных параметров,изготовленных ЗАО ОКТЯБРЬСКХИММАШ, не позволили достичь надежного значения температуры стенки свыше 290 С и снизить более чем на 35 значение ТКС. Испытанные образцы по геометрическим параметрам ребер и несущей трубы соответствовали трубам АВО 2 с коэффициентом оребрения 22. Этот типоразмер труб имеет наибольшее промышленное применение в трубных пучках теплообменников. В этих трубах очень плотное расположение ребер, шаг их составляет 2,4-2,5 мм. При этих значениях шага возникли сложности технологического характера в процессе освоения серийного производства, обусловленные конструкторским требованием размещения полки -ребра на обеих сторонах шевронного рифления. Для удовлетворения этого энергетически и деформационно обоснованного условия потребовалось снизить скорость оребрения трубы с вытекающими негативными последствиями. Такая труба будет использоваться, например,в транспортной энергетике, когда определяющее значение играет качество и надежность,но не стоимость. Задача полезной модели - повышение энергетической эффективности, уменьшение термического контактного сопротивления, расширение температурного диапазона применимости по охлаждающей среде, увеличение коэффициента теплопередачи, повышение технологичности конструкции в серийном производстве. Поставленная задача достигается тем, что теплообменная биметаллическая ребристая труба, состоящая из несущей металлической трубы круглого поперечного сечения с нанесенной на ее наружной поверхности искусственной шероховатостью в виде рельефных рифлений впадина-выступ и завальцованной в них горизонтальной полки спирально навитого под натягом ребра -образного поперечного сечения из теплопроводного пластичного металла, отличающаяся тем, что рифления представляют собой сеть 4-угольных пирамид, примыкающих своими основаниями друг к другу, при этом уголпри вершине каждой грани 4-угольной пирамиды находится в интервале 60-90, а уголвзаимного пересечения рядов остроконечных 4-угольных пирамид также находится в интервале 60-90. Применение рифлений в виде 4-угольных остроконечных пирамид, являющихся по существу искусственной предельной шероховатостью, полученной как результат пересечения сетчатых рифлений впадина-выступ, в сравнении с применяемыми рифлениями шевронного типа при энергетически и технологически целесообразных значениях угла 4 54572009.08.30 позволяет увеличить площадь контактной поверхности к в 1,8-2,1 раза и сопутствующем росте контактного давления, итоговым действием которых является уменьшение величины температурного перепада к из-за интенсификации переноса теплоты в контактной зоне и снижение величины к. Меньшим значениям соответствует больший коэффициент теплопередачи , при этом его рост осуществлен без дополнительных затрат энергии на перемещение воздуха по оребренной стороне трубы. Интенсификация контактного теплообмена развитием площади к - исключительно выгодный способ, так как осуществляется без дополнительных энергетических затрат на передачу теплового потокатрубой. Значит, повышается энергетическая эффективность такой трубы, что всецело вызвано совершенствованием конструкции механического контакта соприкасаемых поверхностей. Этот эффект может быть достигнут интенсификацией теплоотдачи с внешней стороны трубы (сторона -ребер) или с внутренней стороны,где движется охлаждающая среда. Но для этого потребуются многократные затраты энергии на перемещение воздуха или среды внутри трубы. Рост к увеличивает плотность механического соединения поверхностей контактной зоны, что снижает температурные напряжения и деформации -ребра и несущей трубы. Наши теоретические оценки указывают на возможность увеличения использования такой трубы до 300 С по температуре стенки несущей трубы. Внедрение (проникновение) металла полки -ребра при ее завальцовке обжатием из-за малой единичной площади контакта отдельных 4-угольных остроконечных пирамид осуществляется полностью на глубину (высоту) каждой пирамиды при значительно меньшем необходимом радиальном усилии, что благоприятно сказывается на долговечности работы навивочного инструмента, уменьшается стоимость готовой трубы. Одновременно обеспечивается гарантированное сцепление (соединение) полки -ребра с поверхностью несущей трубы - она как будто проколота множеством игл в виде вершин острых 4-угольных пирамид, образуя прочно-плотный контакт. Следствием такой формы шероховатости(рифлений) является постоянство ТКС в диапазоне рабочих температур, которая в этом случае может достигать 300 С без ухудшения теплового потока теплообменника во времени. Надежное механическое соединение -ребра с несущей трубой исключает разматывание спирали как на концах трубы, так и в разных участках по ее длине в случае разрыва спирали на некотором расстоянии. Следовательно, обеспечивается стабильность достигнутой энергетической эффективности. В предлагаемой конструкции теплообменной БРТ отсутствуют требования к геометрическим размерам расположения полки -ребра относительно рифлений, как это характерно для трубы-прототипа. Это является естественным следствием формы сетчатого рифления в виде остроконечных пирамид, равномерно нанесенных по всей наружной поверхности несущей трубы. Навивка -ребра выполняется безотносительно к нанесенным пирамидам ввиду их равномерного расположения, что является гарантированным условием высокой технологичности в серийном производстве такой трубы с -ребрами. Изготовление теплообменных БРТ с предлагаемой конструкцией механического контакта -ребра не требует перестройки технологического процесса, производительность технологической линии не уменьшается в сравнении с существующей. Таким образом, в заявляемой теплообменной биметаллической ребристой трубе полностью реализованы сформулированные задачи. Полезная модель поясняется фиг. 1-3. На фиг. 1 изображена теплообменная биметаллическая ребристая труба с однозаходными -ребрами (вид общий) на фиг. 2 дано поперечное сечение несущей трубы по А-А на фиг. 3 приведено аксонометрическое изображение рифлений в виде остроконечных пирамид, нанесенных на наружной поверхности несущей трубы (фрагмент). Теплообменная биметаллическая ребристая труба состоит из металлической несущей круглой трубы 1 наружного диаметра н с нанесенными на ее наружной поверхности ме 5 54572009.08.30 ханическим или иным способом рифлениями 2 в виде остроконечных 4-угольных пирамид с угломвзаимного пересечения их рядов и спирально навитого под натяжением-ребра с шагом , горизонтальная полка 4 которого механически соединена с рифлениями 2, поперечное сечение которых видно на фиг. 2. Шаг рифленийцелесообразно выбирать в интервале 0,8-1 мм. Здесь же показан угол , который является углом при вершине каждой грани 4-угольной пирамиды, а аксонометрическое (объемное) изображение пирамид 2 представлено на фиг. 3, что позволяет составить наглядную картину их формы, и из их взаимного расположения видно - это искусственная предельная шероховатость. После механического соединения полки 4 -ребра с рифлениями 2 получается -ребро. При нанесении рифлений наружный диаметр несущей трубы незначительно уменьшается до 1, а диаметр 2 - это диаметр несущей трубы по основанию рифлений. Для -ребер применяются высокотеплопроводные пластичные металлы, преимущественно алюминий или его сплавы 1, 1,исходной заготовкой является лента толщиной порядка 0,4 мм. Наибольшее применение получили теплообменные БРТ с наружным диаметром ребра 56-57 мм, шагом ребра 2,4-2,5 мм и диаметром несущей трубы н 25 мм. Теплообменная труба работает следующим образом. Охлаждаемая среда подается внутрь несущей трубы 1, и тепловой потокчерез стенку направляется к охлаждающему воздуху, который снаружи поперечным потоком обтекает -ребра 3. При теплопередаче на механическом контакте полки 4 с поверхностью несущей трубы возникает термическое контактное сопротивление, однако вследствие нового технического исполнения механического контакта существенно увеличивается в нем контактное давление, а заметно возросшая площадь поверхности контактирования до 2,1 раза при оптимальных энергетически и технологически параметрах рифлений снижает величину температурного перепада к в этой зоне, а значение ТКС по теоретическим расчетам уменьшается в 1,2-1,45 раза в зависимости от плотности теплового потока к. Интенсификация теплопередачи достигает 6-10 , а это способ прямого действия, вызывающий уменьшение площади теплопередачи теплообменника на эту величину и его массовой характеристики. Это скажется на уменьшении цены теплообменника. Предельная температура стенки несущей трубы в зоне контакта достигает 300 С, при которой сохраняется исходное значение теплового потока,соответствующее температуре 275-290 С трубы-прототипа. С целью проверки действенности технических решений, заявленных в предлагаемой полезной модели теплообменной БРТ, нами выполнены теплотехнические экспериментальные исследования по методике 2 опытных образцов БРТ с -ребрами, изготовленных ЗАО ОКТЯБРЬСКХИММАШ (Республика Башкортостан) в соответствии с формулой полезной модели. Геометрические параметры -ребер в мм наружный диаметр ребра 56,9 высота, шаг и средняя толщина ребра 15,52,530,4 диаметр ребра по его основанию 0- 225,9. Коэффициент оребрения трубы 20,77. Ребро выполнено из алюминиевого сплава 1. Несущая труба наружного диаметра н 25 мм выполнена из углеродистой стали 10. На наружной поверхности несущей трубы нанесены механически рифления, представляющие искусственную шероховатость остроконечной пирамидальной формы с углом 90 и шагом 1 мм. Для оптимальных геометрических размеров остроконечных 4-угольных пирамид получены для значений к 30 и 75 кВт/м 2 соответственно значения ТКС, равные к 0,104 и 0,09 м 2 К/кВт, которые снизились в 1,2-1,45 раза в сравнении с к трубы-прототипа. Достигнуто безопасное по тепловой надежности значение температуры стенки несущей трубы на контакте в 300 С. Таким образом, экспериментальное исследование подтвердило количественные значения отличительных признаков заявляемой модели. Полезная модель может быть использована заводами химического машиностроения по производству аппаратов воздушного охлаждения, холодильного машиностроения для изготовления конденсаторов воздушного типа, теплообменников для тепловых насосов,6 54572009.08.30 предприятиями коммунального машиностроения для выпуска воздушно-отопительных приборов, калориферов, воздухонагревателей. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 7