RU135401U1

RU135401U1 - COMPACT HEAT EXCHANGER

Info

Publication number: RU135401U1
Application number: RU2013130338/06U
Authority: RU
Inventors: Николай Николаевич Зубков; Сергей Иосифович Каськов
Original assignee: Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России)
Priority date: 2013-07-04
Filing date: 2013-07-04
Publication date: 2013-12-10

Abstract

1. Теплообменник, включающий внутреннюю трубу с внутренним и наружным оребрением, снабженную осевыми подводящим и отводящим патрубками, и коаксиальную ей внешнюю трубу с коллекторами, соединенными с радиальными подводящим и отводящим патрубками, отличающийся тем, что оребрение внутренней трубы выполнено перпендикулярно продольной оси устройства, а коллекторы расположены диаметрально-противоположно относительно этой оси вдоль всего оребрения.2. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что внутренняя труба образована двумя плотно прижатыми друг к другу трубами, одна из которых имеет внутреннее оребрение, а другая - внешнее.3. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что коллекторы внешней трубы выполнены в виде продольного паза на внутренней поверхности внешней трубы или во внешнем оребрении внутренней трубы.4. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что ребра внутреннего или наружного оребрения имеют периодические разрывы по своей длине.1. A heat exchanger comprising an inner pipe with internal and external fins, equipped with axial inlet and outlet pipes, and an external pipe coaxial to it with collectors connected to radial inlet and outlet pipes, characterized in that the finning of the inner pipe is made perpendicular to the longitudinal axis of the device, and collectors are diametrically opposed to this axis along the entire fins. 2. The heat exchanger according to claim 1, characterized in that the inner pipe is formed by two pipes tightly pressed against each other, one of which has an internal fin and the other is external. The heat exchanger according to claim 1, characterized in that the collectors of the outer pipe are made in the form of a longitudinal groove on the inner surface of the outer pipe or in the outer fins of the inner pipe. The heat exchanger according to claim 1, characterized in that the ribs of the internal or external fins have periodic breaks along their length.

Description

Полезная модель относится к теплообменным аппаратам с неподвижными трубами для двух теплоносителей, расположенными концентрично одна в другой, и может быть использована для охлаждения (нагрева) масла, воздуха, воды и других рабочих сред промышленного оборудования, транспортных машин, аппаратов химического и пищевого машиностроения, конденсации и испарения теплоносителей.The utility model relates to heat exchangers with fixed tubes for two coolants, located concentrically one in the other, and can be used for cooling (heating) oil, air, water and other working environments of industrial equipment, transport machines, chemical and food machinery, condensation and coolant vapors.

Повышение эффективности теплообменных аппаратов, снижение их массогабаритных показателей и стоимости изготовления является актуальной задачей практически для всех областей машиностроения. Существующие конструкции теплообменников имеют высокую стоимость, недостаточную эффективность и не способны выдерживать большие давления охлаждаемой и охлаждающей сред.Increasing the efficiency of heat exchangers, reducing their overall dimensions and manufacturing costs is an urgent task for almost all areas of mechanical engineering. Existing designs of heat exchangers have a high cost, insufficient efficiency and are not able to withstand high pressures of the cooled and cooling media.

Из уровня техники известен теплообменник, включающий внутреннюю трубу с внутренним и наружным оребрением, снабженную осевыми подводящим и отводящим патрубками, и коаксиальную ей внешнюю трубу с коллекторами, соединенными с радиальными подводящим и отводящим патрубками (см. патент EP 2363675, кл. F28D 7/10, опубл. 07.09.2011). Основным недостатком известного устройства является недостаточная интенсивность теплообмена между теплоносителями во внешней и внутренней трубах.A heat exchanger is known from the prior art, including an inner pipe with internal and external fins, equipped with axial inlet and outlet pipes, and an outer pipe coaxial to it with collectors connected to radial inlet and outlet pipes (see patent EP 2363675, class F28D 7/10 published on September 7, 2011). The main disadvantage of the known device is the lack of heat transfer between the coolants in the outer and inner pipes.

Задачей полезной модели является устранение указанных недостатков. Технический результат заключается в повышении эффективности работы теплообменника, расширении диапазона рабочих давлений и снижении стоимости изготовления. Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в теплообменнике, включающем внутреннюю трубу с внутренним и наружным оребрением, снабженную осевыми подводящим и отводящим патрубками, и коаксиальную ей внешнюю трубу с коллекторами, соединенными с радиальными подводящим и отводящим патрубками, оребрение внутренней трубы выполнено перпендикулярно продольной оси устройства, а коллекторы расположены диаметрально-противоположно относительно этой оси вдоль всего оребрения. Внутренняя труба может быть образована двумя плотно прижатыми друг к другу трубами, одна из которых имеет внутреннее оребрение, а другая - внешнее. Коллекторы внешней трубы могут быть выполнены в виде продольного паза на внутренней поверхности внешней трубы или во внешнем оребрении внутренней трубы. Оребрение может иметь периодические разрывы по своей длине с образованием структуры, похожей на штырьковую, увеличивая площадь теплообмена и турбулизируя поток.The objective of the utility model is to eliminate these drawbacks. The technical result consists in increasing the efficiency of the heat exchanger, expanding the range of operating pressures and reducing the cost of manufacture. The problem is solved, and the technical result is achieved by the fact that in the heat exchanger, which includes an inner pipe with internal and external fins, equipped with axial inlet and outlet pipes, and an external pipe coaxial to it with collectors connected to radial inlet and outlet pipes, the finning of the inner pipe is made perpendicular to the longitudinal axis of the device, and the collectors are diametrically opposed to this axis along the entire finning. The inner pipe can be formed by two pipes tightly pressed against each other, one of which has an internal finning, and the other has an external fin. The manifolds of the outer pipe can be made in the form of a longitudinal groove on the inner surface of the outer pipe or in the outer fins of the inner pipe. The fins can have periodic discontinuities along their length with the formation of a pin-like structure, increasing the heat transfer area and turbulizing the flow.

На фиг.1 представлен общий вид предлагаемого теплообменника;Figure 1 presents a General view of the proposed heat exchanger;

на фиг.2 - его поперечное сечение;figure 2 - its cross section;

на фиг.3 - укрупненный участок B на фиг.2.figure 3 - enlarged section B in figure 2.

Теплообменник относится к рекуперативным двухпоточным теплообменным аппаратам типа “труба в трубе” с принудительной циркуляцией, предназначенным для различных теплоносителей при сохранении работоспособности теплообменника в случае изменения их фазового состояния. Принцип повышения эффективности теплообмена между двумя теплоносителями в заявляемом теплообменнике основан на разбиении каналов каждого из теплоносителей на множество параллельных микроканалов прямоугольного сечения.The heat exchanger belongs to the forced circulation double-flow recuperative heat exchangers of the “pipe in pipe” type, designed for various heat carriers while maintaining the operability of the heat exchanger in the event of a change in their phase state. The principle of increasing the efficiency of heat transfer between two coolants in the inventive heat exchanger is based on dividing the channels of each of the coolants into many parallel microchannels of rectangular cross section.

Теплообменник представляет собой внутреннюю трубу 1 с внутренним и наружным оребрением 2, расположенную в коаксиальной ей внешней трубе 3. Оребрение 2 внутренней трубы выполнено перпендикулярно продольной оси устройства. Оребрение 2 может иметь периодические разрывы по своей длине, образуя структуру, похожую на штырьковую. Внутренняя труба 1 может быть также образована двумя плотно прижатыми друг к другу трубами, одна из которых имеет внутреннее оребрение, а другая - внешнее. Труба 1 снабжена осевыми подводящим 4 и отводящим 5 патрубками. Труба 3 снабжена коллекторами 6 и 7, соединенными соответственно с радиальными подводящим 8 и отводящим 9 патрубками. Коллекторы 6 и 7 расположены диаметрально-противоположно относительно продольной оси устройства и простираются вдоль всего оребрения 2. Коллекторы 6 и 7 также могут быть выполнены в виде продольного паза на внутренней поверхности внешней трубы или во внешнем оребрении внутренней трубы.The heat exchanger is an inner tube 1 with an inner and outer fin 2 located in a coaxial outer tube 3. The fin 2 of the inner tube is made perpendicular to the longitudinal axis of the device. The fins 2 may have periodic discontinuities along their length, forming a structure similar to a pin. The inner pipe 1 can also be formed by two pipes tightly pressed against each other, one of which has an internal finning and the other has an external fin. The pipe 1 is equipped with axial inlet 4 and outlet 5 nozzles. The pipe 3 is equipped with collectors 6 and 7, respectively connected with radial inlet 8 and outlet 9 nozzles. The collectors 6 and 7 are diametrically opposed to the longitudinal axis of the device and extend along the entire fins 2. The collectors 6 and 7 can also be made in the form of a longitudinal groove on the inner surface of the outer pipe or in the outer fins of the inner pipe.

Предлагаемый теплообменник работает следующим образом.The proposed heat exchanger operates as follows.

Один из теплоносителей поступет через подводящий патрубок 8 и попадает в продольно расположенный коллектор 6. Коллектор 6 имеет ограниченную ширину и сообщается с наружной поверхностью двусторонне-оребренной трубы 1. Теплоноситель из продольного коллектора 6 через паз ограниченной ширины попадает в межреберный зазор наружного оребрения 2 трубы 1 и двигается по частям окружности межреберных зазоров, огибая трубу в обоих направлениях до выхода в коллектор 7, откуда отводится через патрубок 9. Проходя через теплообменные каналы, теплоноситель отдает тепло боковым стенкам ребер 2, откуда тепловой поток передается внутренним ребрам 2 и отводится другим теплоносителем через боковые стенки ребер.One of the coolants flows through the inlet pipe 8 and enters a longitudinally located manifold 6. The collector 6 has a limited width and communicates with the outer surface of the double-finned pipe 1. The coolant from the longitudinal collector 6 through the groove of a limited width enters the intercostal gap of the outer fins 2 of the pipe 1 and moves in parts of the circumference of the intercostal gaps, bending around the pipe in both directions until it exits into the collector 7, from where it is discharged through the pipe 9. Passing through the heat exchange channels, the coolant l gives off heat to the side walls of the ribs 2, from where the heat flux is transferred to the inner ribs 2 and is removed by another heat carrier through the side walls of the ribs.

Контур второго теплоносителя имеет принцип организации движения, подобный движению теплоносителя в первом контуре. Через подводящий патрубок 4 второй теплоноситель попадает в продольный внутренний коллектор, который обеспечивает вход второго теплоносиеля в межреберный зазор оребрения 2 на внутрунней поверхности двусторонне-оребренной трубы 1. Коллектор также имеет ограниченную ширину и обеспечивает подвод второго телоносителя ко всем межреберным зазорам оребрения. Второй теплоноситль также проходит по межреберным зазорам внутреннего оребрения, попадая в сливной коллектор, сообщающийся с отводящим патрубком 5.The circuit of the second coolant has a principle of motion organization similar to the motion of the coolant in the first circuit. Through the inlet pipe 4, the second heat carrier enters the longitudinal internal manifold, which provides the second heat carrier enters the intercostal fins 2 on the inner surface of the bilateral finned tube 1. The collector also has a limited width and allows the second carrier to be connected to all intercostal fins. The second heat carrier also passes through the intercostal gaps of the internal fins, falling into the drain manifold, communicating with the outlet pipe 5.

В большинстве существующих конструкций площади поверхностей теплообмена для обоих контуров не одинаковы. Это значительно снижает суммарный коэффициент теплопередачи теплообменника. Для данной конструкции этот недостаток устранен. Микроканалы между оребрением выполнены на внутренней и наружной стороне трубы 1, обеспечивая большую суммарную площадь поверхности теплообменника. Система коллекторов и обечаек обеспечивает движение теплоносителей в щелевых каналов. Вся конструкция теплообменника размещается в цилиндрическом корпусе (основой которого является труба 3) способном выдерживать большие давления охлаждаемых сред.In most existing designs, the heat transfer surface areas for both circuits are not the same. This significantly reduces the total heat transfer coefficient of the heat exchanger. For this design, this drawback is eliminated. Microchannels between the fins are made on the inner and outer sides of the pipe 1, providing a large total surface area of the heat exchanger. The system of collectors and shells provides the movement of coolants in the slotted channels. The entire design of the heat exchanger is housed in a cylindrical body (the basis of which is pipe 3) capable of withstanding high pressures of the cooled media.

Предлагаемый теплообменник имеет площадь поверхности теплообмена не менее 0,15 м² на килограмм веса (развитие площади поверхности теплообмена методом деформирующего резания до 10 раз); коэффициент теплопередачи не менее 800 Вт/(м²·К) (режим ”жидкость-жидкость”, ”жидкость-газ”); производительность метода деформирующего резания не менее 0,02 м² теплообменной поверхности в минуту.The proposed heat exchanger has a heat exchange surface area of at least 0.15 m ² per kilogram of weight (development of the heat exchange surface area by deforming cutting up to 10 times); heat transfer coefficient of at least 800 W / (m ² · K) (liquid-liquid, liquid-gas mode); the productivity of the deformation cutting method is not less than 0.02 m ^{2 of} heat exchange surface per minute.

Получение щелевых каналов методом деформирующего резания определяет высокую технологичность конструкции, а следовательно его низкую себестоимость, а также безотходность и экологическую чистоту процесса. Предлагаемая конструкция и технология изготовления теплообменников позволят изготавливать различные типоразмеры теплообменников из таких материалов как медь, алюминий, титан, коррозионно-стойкие стали. Конструкции теплообменников могут быть с габаритами от ϕ 20 и длины 50 мм до ϕ 80×300 мм с коэффициентом компактности не менее 500 м²/м³, работающие при давлениях до 6 МПа, тепловых нагрузках до 30 кВт, в температурном диапазоне - 40…+300°C.Obtaining slotted channels by the method of deforming cutting determines the high adaptability of the design, and therefore its low cost, as well as waste-free and environmental cleanliness of the process. The proposed design and manufacturing technology of heat exchangers will make it possible to produce various sizes of heat exchangers from materials such as copper, aluminum, titanium, and corrosion-resistant steels. Heat exchanger designs can be with dimensions from ϕ 20 and length 50 mm to ϕ 80 × 300 mm with a compactness factor of at least 500 m ² / m ³ , operating at pressures up to 6 MPa, thermal loads up to 30 kW, in the temperature range - 40 ... + 300 ° C.

Теплообменники обеспечивают охлаждение или нагрев сжатого газа, пара, и жидкостей при любых сочетаниях теплоносителей.Heat exchangers provide cooling or heating of compressed gas, steam, and liquids in any combination of coolants.

Данная идея проверена на теплообменнике с 400 микроканалами для каждого теплоносителя, работающих параллельно, с размером единичного канала 1,0×3,0×60 мм. Суммарная площадь поверхности теплообмена составила 0,37 м²;This idea was tested on a heat exchanger with 400 microchannels for each heat carrier operating in parallel, with a single channel size of 1.0 × 3.0 × 60 mm. The total heat exchange surface area was 0.37 m ² ;

- диаметр корпуса теплообменника 60 мм при его длине 270 мм;- the diameter of the housing of the heat exchanger is 60 mm with a length of 270 mm;

- допускаемое давление теплоносителей 1,6 МПа;- permissible coolant pressure 1.6 MPa;

- эквивалентный проходной диаметр теплообменника для каждого контура составляет 25 мм.- The equivalent bore diameter of the heat exchanger for each circuit is 25 mm.

Claims

1. A heat exchanger comprising an inner pipe with internal and external fins, equipped with axial inlet and outlet pipes, and an external pipe coaxial to it with collectors connected to radial inlet and outlet pipes, characterized in that the finning of the inner pipe is made perpendicular to the longitudinal axis of the device, and collectors are diametrically opposed to this axis along the entire finning.

2. The heat exchanger according to claim 1, characterized in that the inner pipe is formed by two pipes tightly pressed against each other, one of which has an internal fin and the other is external.

3. The heat exchanger according to claim 1, characterized in that the collectors of the outer pipe are made in the form of a longitudinal groove on the inner surface of the outer pipe or in the outer fins of the inner pipe.

4. The heat exchanger according to claim 1, characterized in that the ribs of the internal or external fins have periodic breaks along their length.