RU137358U1

RU137358U1 - HEAT EXCHANGE PIPE WITH INTERNAL INSERT

Info

Publication number: RU137358U1
Application number: RU2013140134/02U
Authority: RU
Inventors: Владимир Анатольевич Микула; Александр Филиппович Рыжков; Татьяна Феоктистовна Богатова; Николай Анатольевич Абаимов; Владимир Львович Шульман
Priority date: 2013-08-28
Filing date: 2013-08-28
Publication date: 2014-02-10

Abstract

1. Теплообменная труба с внутренней вставкой, включающая трубный корпус и плотно прилегающую к его внутренней стенке вставку в виде соединенных по оси радиальных пластин, отличающаяся тем, что угол равномерного размещения радиальных пластин в одном диаметральном секторе вставки превышает угол равномерного размещения радиальных пластин в ее другом диаметральном секторе.2. Труба по п.1, отличающаяся тем, что в каждой пластине выполнены окна, равноудаленные от оси и расположенные в продольном направлении трубы по спирали.3. Труба по п.2, отличающаяся тем, что окна пластин снабжены направляющими поток створками, установленными наклонно к пластине.1. A heat exchange pipe with an inner insert, comprising a tube body and an insert tightly adjacent to its inner wall in the form of radial plates connected along the axis, characterized in that the angle of uniform distribution of the radial plates in one diametrical sector of the insert exceeds the angle of uniform distribution of the radial plates in its other diametral sector. 2. A pipe according to claim 1, characterized in that in each plate there are windows equidistant from the axis and arranged in a longitudinal direction of the pipe in a spiral. The pipe according to claim 2, characterized in that the windows of the plates are provided with flow guiding flaps mounted obliquely to the plate.

Description

Полезная модель относится к области энергетики и может быть использована в теплообменных и теплопередающих устройствах, размещаемых на стенках топок и предназначенных, преимущественно, для высокотемпературного теплообмена газообразных сред.The utility model relates to the field of energy and can be used in heat transfer and heat transfer devices placed on the walls of the furnaces and intended mainly for high-temperature heat transfer of gaseous media.

Одним из приоритетных направлений для энергетики является расширение использования твердых топлив и разработка энергоустановок, позволяющих делать это наиболее эффективно. Наиболее высокий электрический КПД обеспечивают парогазовые установки (ПТУ), работающие на горючем газе (чаще всего природном газе), однако, во-первых, объем запасов природного газа и нефти значительно сокращается, во-вторых, стоимость их в 6-8 раз выше, чем твердого топлива.One of the priority areas for the energy sector is the expansion of the use of solid fuels and the development of power plants to do this most effectively. The highest electrical efficiency is provided by combined-cycle plants (PTU) operating on combustible gas (most often natural gas), however, firstly, the volume of natural gas and oil reserves is significantly reduced, and secondly, their cost is 6-8 times higher. than solid fuel.

Перспективным направлением является ПТУ с газификацией твердого топлива (угля). Термическая эффективность установки зависит от способа подготовки рабочего тела для газотурбинной установки (ГТУ) и интеграции узла термохимической подготовки топлива в тепловую схему ПТУ. Одной из разновидностей ПТУ на твердом топливе является гибридная схема ПТУ на основе процессов термообработки угля и «внешнего» сжигания топлива.A promising area is vocational schools with gasification of solid fuel (coal). The thermal efficiency of the installation depends on the method of preparing the working fluid for the gas turbine installation (GTU) and the integration of the thermochemical preparation of fuel into the thermal circuit of the technical training colony. One of the varieties of solid fuel fueled technical training centers is a hybrid technical training college based on the processes of heat treatment of coal and “external” fuel combustion.

Ключевым элементом в разрабатываемой схеме является воздушный котел. В топке воздушного котла сжигается твердое топливо и теплота от факела передается воздуху, протекающему внутри теплообменных труб, которые размещаются на стенках топки. Передний диаметральный сектор теплообменной трубы обогревается потоком излучения непосредственно от факела, а задний сектор - отраженным от стенок топки потоком излучения.A key element in the developed scheme is an air boiler. Solid fuel is burned in the furnace of the air boiler and heat from the torch is transferred to the air flowing inside the heat exchange tubes, which are placed on the walls of the furnace. The front diametrical sector of the heat exchanger tube is heated by the radiation flux directly from the torch, and the rear sector by the radiation flux reflected from the walls of the furnace.

Температура в ядре факела при сжигании полукокса, получаемого в результате термообработки твердого топлива, может изменяться в пределах 1400-1700°C, поэтому критическим параметром для надежной работы воздушного котла служит уровень жаростойкости конструкционного материала труб. Для теплообменных труб актуально использование различных средств интенсификации внутреннего теплообмена, позволяющих обеспечить допустимый уровень температуры стенки металла при максимально возможном уровне теплового потока. Рабочая температура для наиболее жаропрочных хромистых сталей составляет 1000°C при максимальной температуре греющей среды 1200°C.The temperature in the flame core during the burning of semi-coke, obtained as a result of heat treatment of solid fuel, can vary between 1400-1700 ° C, therefore, the level of heat resistance of the structural material of pipes is a critical parameter for reliable operation of the air boiler. For heat transfer pipes, it is important to use various means of intensifying internal heat transfer, which allow ensuring an acceptable level of the temperature of the metal wall at the highest possible level of heat flow. The operating temperature for the most heat-resistant chromium steels is 1000 ° C with a maximum heating medium temperature of 1200 ° C.

При вышеуказанном уровне температур греющей среды с наружной стороны трубы преобладает теплообмен излучением, а с внутренней стороны - теплообмен радиационно-конвективный, поэтому для интенсификации высокотемпературного теплообмена актуальным является применение средств, направленных не только на турбулизацию потока, но и на увеличение внутренней поверхности теплообмена.At the aforementioned temperature level of the heating medium, heat exchange by radiation predominates on the outside of the pipe, and radiation-convective heat transfer prevails on the inside, therefore, to intensify high-temperature heat transfer, it is important to use means aimed not only at turbulizing the flow, but also at increasing the internal heat exchange surface.

Увеличение внутренней эффективной поверхности теплообмена может достигаться за счет внутренних вставок. При использовании вставки реализуется следующая схема теплообмена. Газы отдают теплоту стенкам трубы, в основном излучением, а труба переизлучает теплоту на вставку, при этом воздух, омывая внутреннюю поверхность трубы и поверхность вставки, получает теплоту конвекцией. В результате повышается температура подогреваемого воздуха и удельное тепловосприятие трубы, а также это позволяет снизить температуру стенок и термические напряжения.An increase in the internal effective heat exchange surface can be achieved by internal inserts. When using the insert, the following heat transfer scheme is implemented. Gases give off heat to the walls of the pipe, mainly by radiation, and the pipe re-radiates heat to the insert, while air, washing the inside of the pipe and the surface of the insert, receives heat by convection. As a result, the temperature of the heated air and the specific heat perception of the pipe increase, and also this allows to reduce the temperature of the walls and thermal stresses.

Кроме того, использование вставок в теплообменных трубах, размещаемых на стенках топки воздушного котла, позволяет снизить металлоемкость. Толщина стенки наружной трубы, в случае использования в воздушных котлах, рассчитывается на разницу давлений воздуха и продуктов сгорания в десятки бар, а внутренняя вставка окружена со всех сторон воздухом с одним давлением и, не испытывая значительных механических напряжений, может иметь минимальную толщину.In addition, the use of inserts in heat transfer pipes placed on the walls of the furnace of an air boiler, reduces metal consumption. The wall thickness of the outer pipe, if used in air boilers, is calculated on the difference of air pressures and combustion products of tens of bars, and the inner insert is surrounded on all sides by air with the same pressure and, without experiencing significant mechanical stresses, can have a minimum thickness.

Проведенное моделирование теплообмена в трубе с внутренней вставкой по программе ANSYS-SFX при температуре продуктов сгорания 1400°C показало, что для обеспечения допустимой температуры стенки трубы лучевоспринимающая поверхность вставки должна превышать внутреннюю поверхность гладкой трубы более чем в 5 раз. Этот факт исключает возможность использования для высокотемпературного теплообмена подавляющей части известных конструкций со вставками, например, труб с отстоящими от их стенок вставками в виде спиральных ленточных завихрителей (RU 2147110, 27.03.2000. RU 1223019, 30.03.1986. RU 1025988, 30.06.1983).The simulation of heat transfer in a pipe with an internal insert according to the ANSYS-SFX program at a temperature of combustion products of 1400 ° C showed that in order to ensure an acceptable temperature of the pipe wall, the radiation-accepting surface of the insert must exceed the inner surface of a smooth pipe by more than 5 times. This fact excludes the possibility of using for the high-temperature heat transfer the vast majority of known structures with inserts, for example, pipes with inserts in the form of spiral tape swirlers (RU 2147110, 03/27/2000. RU 1223019, 03/30/1986. RU 1025988, 06/30/1983 )

Известна теплообменная труба с внутренней вставкой по патенту GB 2280256, 25.01.1995, которая имеет трубчатый корпус и размещенную в нем вставку, выполненную из радиальных пластин, соединенных в центре. Пластины имеют спиральную форму вдоль всей длины вставки, периферийные утолщения пластин позволяют увеличить площадь контакта между вставкой и трубным корпусом, а для дополнительной турбулизации потока на пластинах выполнены выступы.Known heat transfer tube with an inner insert according to patent GB 2280256, 01/25/1995, which has a tubular body and an insert placed therein made of radial plates connected in the center. The plates have a spiral shape along the entire length of the insert, peripheral thickenings of the plates increase the contact area between the insert and the tube body, and protrusions are made on the plates for additional turbulization of the flow.

Известная конструкция предназначена для использования при конвективном теплообмене. В случае использования трубы, имеющей равномерное размещение пластин по периметру, в качестве теплообменного элемента на стенках топки, тепловое излучение будет распределяться неравномерно, т.е. передний диаметральный сектор трубы, обращенный к факелу, будет получать больше теплового излучения, чем задний сектор, обращенный к обмуровке котла. В результате этого не оправдано завышается металлоемкость конструкции, увеличивается неравномерность температуры стенки трубы по периметру, что снижает надежность конструкции, в которой «лишние» пластины создают дополнительное аэродинамическое сопротивление, а следовательно повышенные затраты электроэнергии. Кроме того, выступы, дополнительно увеличивая металлоемкость конструкции, не увеличивают лучевоспринимающую поверхность, поскольку закрывают часть поверхности радиальных пластин.The known design is intended for use in convective heat transfer. In the case of using a pipe with uniform distribution of plates along the perimeter as a heat exchange element on the walls of the furnace, the thermal radiation will be distributed unevenly, i.e. the front diametral sector of the pipe facing the torch will receive more thermal radiation than the rear sector facing the lining of the boiler. As a result of this, the metal consumption of the structure is not overestimated, the non-uniformity of the temperature of the pipe wall around the perimeter increases, which reduces the reliability of the structure, in which the "extra" plates create additional aerodynamic drag, and therefore increased energy costs. In addition, the protrusions, further increasing the metal consumption of the structure, do not increase the beam-receiving surface, since they cover part of the surface of the radial plates.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является теплообменная труба с внутренней вставкой по патенту JP 2004279021 (A), 07.10.2004, имеющая трубный корпус, к внутренней стенке которого плотно прилегает вставка, выполненная из равномерно размещенных по периметру радиальных продольных пластин, соединенных по оси трубы.The closest technical solution adopted for the prototype is a heat exchanger tube with an inner insert according to the patent JP 2004279021 (A), 10/07/2004, having a tube body, an insert made of radially longitudinally connected uniformly spaced along the perimeter adjacent to the inner wall along the axis of the pipe.

В прототипе отсутствуют элементы, затеняющие лучевоспринимающую поверхность пластин, однако, плотность размещения пластин по периметру трубы у него тоже равномерная. Поэтому при использовании прототипа для высокотемпературного теплообмена в топках, ему присущи те же недостатки аналога, а главное, невозможность обеспечить эффективный теплообмен из-за не равномерного распределения теплового излучения.The prototype does not have elements that obscure the beam-reflecting surface of the plates, however, the density of the plates along the perimeter of the pipe is also uniform. Therefore, when using the prototype for high-temperature heat transfer in furnaces, it has the same disadvantages of the analogue, and most importantly, the inability to provide effective heat transfer due to the uneven distribution of thermal radiation.

Задача, положенная в основу полезной модели, заключается в создании простой и надежной конструкции, обеспечивающей повышение эффективности высокотемпературного теплообмена при снижении металлоемкости и энергозатрат.The task underlying the utility model is to create a simple and reliable design that provides increased efficiency of high-temperature heat transfer while reducing metal consumption and energy consumption.

Технический результат - повышение интенсификации высокотемпературного теплообмена за счет равномерного распределения теплового излучения.The technical result is an increase in the intensification of high-temperature heat transfer due to the uniform distribution of thermal radiation.

Указанный технический результат достигается тем, что в теплообменной трубе с внутренней вставкой, включающей трубный корпус и плотно прилегающую к его внутренней стенке вставку в виде соединенных по оси радиальных пластин, согласно полезной модели, угол равномерного радиального размещения пластин одного диаметрального сектора вставки превышает угол равномерного радиального размещения пластин ее другого диаметрального сектора. В результате чего плотность пластин в двух диаметрально противоположных секторах трубы различна, т.е. количество радиальных пластин с одной стороны трубы в продольном направлении, по меньшей мере, на одну пластину меньше, чем с противоположной стороны. Для перемешивания потока и турбулизации в каждой пластине выполнены окна, равноудаленные от оси и образующие в продольном направлении трубы спираль, а для усиления указанного эффекта окна пластин снабжены направляющими поток створками, установленными наклонно к пластине.The specified technical result is achieved by the fact that in a heat exchange pipe with an inner insert including a tube body and an insert tightly adjacent to its inner wall in the form of radial plates connected along the axis, according to a utility model, the angle of uniform radial placement of the plates of one diametrical sector of the insert exceeds the angle of uniform radial placing plates of its other diametrical sector. As a result, the density of the plates in two diametrically opposite sectors of the pipe is different, i.e. the number of radial plates on one side of the pipe in the longitudinal direction is at least one plate less than on the opposite side. To mix the flow and turbulize, in each plate there are windows equidistant from the axis and forming a spiral in the longitudinal direction of the pipe, and to enhance the indicated effect, the windows of the plates are equipped with flow guiding flaps mounted obliquely to the plate.

Сущность устройства поясняется примером выполнения теплообменной трубы с внутренней вставкой, имеющей 7 радиальных пластин, и сопровождающими чертежами, на которых представлены:The essence of the device is illustrated by an example of a heat exchange pipe with an inner insert having 7 radial plates, and the accompanying drawings, on which:

Фиг. 1 - поперечный разрез трубы;FIG. 1 - cross section of a pipe;

Фиг. 2 - вставка трубы в изометрии.FIG. 2 - pipe insertion in isometry.

Устройство имеет трубный корпус 1, в котором вплотную к его внутренним стенкам размещена вставка, состоящая из стержня 2 с радиальными пластинами 3, условно делящими трубу на две половины: верхнюю и нижнюю. В диаметральном секторе верхней половины под равными углами 45° размещены три пластины, а в нижнем под углами 60° - две пластины. В каждой радиальной пластине секторов на одинаковом расстоянии от оси по спиральной линии выполнены окна 4 с отогнутыми створками 5 для направления потока.The device has a tubular body 1, in which an insert is placed close to its inner walls, consisting of a rod 2 with radial plates 3, conditionally dividing the pipe into two halves: upper and lower. In the diametrical sector of the upper half, three plates are placed at equal angles of 45 °, and two plates in the lower one at angles of 60 °. In each radial plate of sectors at the same distance from the axis in a spiral line there are windows 4 with bent leaves 5 for flow direction.

Теплообменную трубу устанавливают в топке так, что ее диаметральный сектор с меньшим количеством пластин был обращен к обмуровке 6 топки, а с большим - к факелу. Так как пластины 3 в секторе трубы, обращенном к факелу, располагаются более плотно, чем пластины 3 в секторе трубы, обращенном к обмуровке котла, теплообмен с наружной поверхностью труб осуществляется следующим образом.The heat exchange pipe is installed in the furnace so that its diametric sector with fewer plates was facing the lining 6 of the furnace, and with a larger one to the torch. Since the plates 3 in the pipe sector facing the torch are located more densely than the plates 3 in the pipe sector facing the lining of the boiler, heat exchange with the outer surface of the pipes is as follows.

Тепловое излучение от факела делится на части, первая часть попадает на диаметральный сектор труб с тремя пластинами 3, который обращен к факелу, а остальная часть, проходя в зазор между трубами, попадает на обмуровку 6 (тепловую изоляцию) котла. Тепловой поток, попавший на обмуровку 6, делится еще на две части, первая часть через обмуровку уходит в окружающую среду, а вторая попадает на диаметральный сектор труб с двумя пластинами 3, который обращен к обмуровке.Thermal radiation from the plume is divided into parts, the first part enters the diametric sector of the pipe with three plates 3, which faces the plume, and the rest, passing into the gap between the pipes, enters the wiring 6 (thermal insulation) of the boiler. The heat flux that got into the lining 6 is divided into two parts, the first part through the lining goes into the environment, and the second enters the diametrical sector of the pipe with two plates 3, which is facing the lining.

Доля теплового потока, попадающего на диаметральный сектор трубы с меньшим количеством пластин, будет зависеть, в основном, от расстояния между соседними трубами и степенью черноты труб и обмуровки. Однако величина этого теплового потока будет всегда ниже теплового потока попадающего на диаметральный сектор трубы с большим количеством пластин, поскольку температура на внутренней поверхности обмуровки будет всегда ниже, чем у факела. Интенсивность лучисто-конвективного теплообмена с внутренней поверхности труб определяется количеством пластин в соответствующем секторе.The fraction of heat flux entering the diametric sector of the pipe with fewer plates will depend mainly on the distance between adjacent pipes and the degree of blackness of the pipes and the lining. However, the magnitude of this heat flux will always be lower than the heat flux falling on the diametric sector of the pipe with a large number of plates, since the temperature on the inner surface of the lining will always be lower than that of the torch. The intensity of radiant-convective heat transfer from the inner surface of the pipes is determined by the number of plates in the corresponding sector.

При этом часть потока, текущего между неравномерно расположенными по периметру трубы пластинами 3, проходит через образующие спираль окна 4 по направляющим поток створкам 5 в соседний канал, обеспечивая перемешивание и дополнительную турбулизацию потоков.At the same time, a part of the flow flowing between the plates 3 unevenly arranged along the pipe perimeter passes through the spiral-forming windows 4 along the flow guiding flaps 5 into the adjacent channel, providing mixing and additional turbulence of the flows.

Плотный контакт пластин со стенкой трубного корпуса исключает возникновение вибрации при работе устройства. Количество радиальных пластин в диаметрально противоположных секторах (с разницей в одну и более) определяется плотностью теплового потока, излучаемого внутренней поверхностью соответствующего сектора.The tight contact of the plates with the wall of the tube body eliminates the occurrence of vibration during operation of the device. The number of radial plates in diametrically opposite sectors (with a difference of one or more) is determined by the density of the heat flux emitted by the inner surface of the corresponding sector.

Предлагаемая конструкция теплообменной трубы с внутренней вставкой обеспечивает интенсификацию высокотемпературного теплообмена, позволяет увеличить надежность и долговечность устройства за счет выравнивания температуры трубы по периметру. Уменьшаются металлоемкость конструкции и затраты электроэнергии на подачу воздуха или иной нагреваемой газообразной среды, вследствие снижения аэродинамического сопротивления.The proposed design of a heat exchanger pipe with an internal insert provides the intensification of high-temperature heat transfer, allows you to increase the reliability and durability of the device by equalizing the temperature of the pipe around the perimeter. The metal consumption of the structure and the cost of electricity for supplying air or another heated gaseous medium are reduced due to a decrease in aerodynamic drag.

Claims

1. A heat exchange pipe with an inner insert, comprising a tube body and an insert tightly adjacent to its inner wall in the form of radial plates connected along the axis, characterized in that the angle of uniform distribution of the radial plates in one diametrical sector of the insert exceeds the angle of uniform distribution of the radial plates in its other diametrical sector.

2. The pipe according to claim 1, characterized in that in each plate there are windows equidistant from the axis and arranged in a longitudinal direction of the pipe in a spiral.

3. The pipe according to claim 2, characterized in that the windows of the plates are provided with flow guiding flaps mounted obliquely to the plate.