Трубка фильда что это

НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Институт механики МГУ им. М.В. Ломоносова

Введение

Создание надежного с большим ресурсом высокотемпературного трубчатого теплообменного аппарата представляет большой практический интерес для использования в замкнутых газотурбинных установках как для перспективных атомных электростанций, так и для газотурбинных установок, использующих в качестве топлива уголь и других устройствах, где необходимы теплообменные аппараты, работающие при температурах выше 700°С [1], [2].

Имеющиеся способы компенсации температурных деформаций (сильфоны, плавающая трубная доска, трубный пучок с U-образными трубами и т.д.) не обеспечивают полной компенсации деформаций и значительно усложняют конструкцию и изготовление теплообменного аппарата.

Труба Фильда, принципиальная схема которой изображена на рис. 1, представляет собой теплообменный аппарат, в котором первый поток теплоносителя течет по внутренней трубе, разворачивается в тупиковом конце и протекает далее по межтрубному кольцевому пространству. Второй поток обтекает внешнюю поверхность трубного пучка.

Однако рекуперация тепла первого потока внутри трубы Фильда снижает тепловую эффективность теплообменника: между цилиндрическим каналом внутренней трубы и кольцевым каналом возникает тепловой поток, называемый «паразитным».

Рис. 1. Схема теплообменного аппарата на основе трубы Фильда

«Паразитный» тепловой поток определится выражением:

где K – коэффициент теплопередачи через внутреннюю трубу, F – площадь теплообменной поверхности, D T_i – локальная разность температур между теплоносителями, протекающими во внутренней трубе и кольцевом канале.

Вопросам интенсификации теплообмена и повышения тепловой эффективности трубы Фильда посвящены многочисленные работы [3],[4].

В данной работе вместо непроницаемой внутренней трубы предлагается использовать пористую внутреннюю трубу со вдувом части теплоносителя в межтрубное кольцевой канал (рис. 2). При применении такой конструкции вдув теплоносителя приводит не только к эффекту тепловой защиты стенки, но и позволяет интенсифицировать (в условиях стесненного кольцевого канала) теплообмен на внешней стенке кольцевого канала.

Рис. 2. Теплообменный аппарат на основе трубы Фильда с пористой внутренней трубой.

Экспериментальный стенд и результаты экспериментов

Задача расчета гидродинамики и теплообмена в кольцевом канале при наличии вдува и неизотермичности является специфичной задачей для теплообменников типа трубы Фильда с внутренней пористой трубой и требует особого рассмотрения [5]. Разработана и изготовлена экспериментальная установка, моделирующее течение в кольцевом канале теплообменного аппарата типа трубы Фильда.

Установка (рис. 3) представляет собой плоский канал поперечным сечением 10 ´ 200 мм, состоящий из трех основных участков: предварительного участка длиной 600 мм, рабочего участка длиной 600 мм и выходного участка длиной 190 мм. Для обеспечения равномерности течения воздуха при входе основной теплоноситель подается в предварительный участок из ресивера – (1). Для выравнивания потока при входе в канал установлен входной конфузор – (2), спрофилированный по лемнискате.

Рис. 3. Принципиальная схема экспериментального стенда

Проницаемая стенка рабочего участка канала состоит из шести пористых секций с камерами вдува размерами 200 ´ 97 мм (9), что позволяет изменять распределение величины вдуваемого в канал воздуха по длине канала. Для обеспечения равномерного вдува и предотвращения «пробоя» пористого материала за отверстиями подвода установлены дефлекторы (8). Проницаемая стенка (7) толщиной 10 мм каждой камеры изготовлена из пористого материала, изготовленная из порошкового материала. Верхняя стенка канала перед и после проницаемого участка представляет собой пластины из красной меди толщиной 10 мм с теплоизоляцией из асбеста (3).

В процессе проведения экспериментов производится измерение следующих параметров: статического давления по длине канала, статического давления в камерах подвода вдува, полного давления и температуры по высоте канала на входе в рабочий участок, полного давления и температуры по высоте канала на выходе из рабочего участка, температуры сплошной и проницаемой стенок канала, как по длине, так и по ширине, температуры вдува, мощность, потребляемая нагревателями, расход воздуха в каждой секции вдува, температуры в ресивере.

Профили скоростей, полученные процессе проведения экспериментов в канале при различных значениях критериев Рейнольдса Re _кан и относительных вдувах на расстоянии х = 1.23 м от входа в канал представлены на рис. 4.

u_max – максимальная скорость в сечении, h – высота канала.

Рис. 4. Профили скоростей в экспериментальном канале

Результаты экспериментов были обобщены по следующим зависимостям

при , при , где x _тр – коэффициент сопротивления, – относительный импульс, Re _кан – число Рейнольдса, вычисленное по гидравлическому диаметру канала, индекс “0” – относится к каналу без вдува.

Полученные зависимости при и при , представлены в логарифмических координатах на рисунках 5 и 6.

1 – экспериментальные точки, 2 – аппроксимирующая их линейная зависимость

Рис.5. Зависимость при Re _кан = idem

1 – экспериментальные точки, 2 – аппроксимирующая их линейная зависимость

Рис. 9. Зависимость при Re _кан = idem

Расчеты теплообменного аппарата типа трубы Фильда с пористой внутренней трубой

Рассмотрим вариант, когда внешний теплоноситель движется противотоком относительно теплоносителя в кольцевом пространстве, что изображено на рис. 7. Для элементарной поверхности длиной dx (рис. 8) теплообмен описывается следующими уравнениями:

, (1)

, (2)

, (3)

где W₁ – водяной эквивалент внутреннего теплоносителя, W₂ – водяной эквивалент внешнего теплоносителя, Т₂ – температура внутреннего теплоносителя, Т₃ – температура межтрубного теплоносителя, Т₁ – температура внешнего теплоносителя, K ₁ – коэффициент теплопередачи внутренней трубы, K₂ – коэффициент теплопередачи внешней трубы, u₁ – периметр окружности внутренней трубы, u₂ – периметр окружности внешней трубы.

1 – противоток; 2 – прямоток

L – длина теплообменного аппарата.

Рис. 7. Схема течения в теплообменном аппарате типа трубы Фильда при противоточной схеме

1 – противоток; 2 – прямоток

Рис. 8. Температурные профили в теплообменном аппарате типа трубы Фильда при противоточной и прямоточной схем течения для первой методики расчета

, (4)

, (5)

, (6)

Расчет теплообменника по изложенной методике проводился при следующих условиях (рис.9,(а)): температура и давление на входе в теплообменный аппарат по горячей стороне Т₁‘ = 900 К, P₁‘ = 0.1 МПа, температура и давление на входе в теплообменный аппарат по холодной стороне T₂‘ = 570 К, P₂‘ = 0.5 МПа, размеры и длина труб даны на (рис.9, (б)), компоновка труб в пучке – треугольная, относительный шаг труб = 1.25.

а) размеры трубы Фильда, б) компоновка трубного пучка

Рис. 9. Исходные данные для расчета трубы Фильда

Были рассчитаны различные варианты с внутренней трубой из различных материалов, до полной теплоизоляции. Коэффициенты теплопроводности внутренней стенки принимались следующими значениями: l _м = 20 Вт/(м × К), l _м = 0.1 Вт/(м × К), l _м = 0.01 Вт/(м × К), l _м = 0 Вт/(м × К), (адиабатная стенка).

В таблице 1 приведены значения тепловой эффективности трубчатых теплообменников e = ( T ₃ ² – T ₂ ¢ )/( T ₁ ¢ – T ₂ ¢ ) при одинаковой поверхности теплообмена F = idem = 0.188 м 2 и относительных суммарных потерь давления D P _S = idem = 3.3 %. Для трубчатого теплообменного аппарата геометрические размеры трубы приняты равными размерам внутренней трубы Фильда.

Сравнение тепловых эффективностей теплообменного аппарата на основе трубы Фильда при F=idem и D Р _S =idem с трубчатым противоточным теплообменником показывает, что тепловая эффективность теплообменного аппарат на основе трубы Фильда значительно меньше, чем для трубчатого противоточного теплообменника. Применение обычной теплоизоляции l _м = 0.1 Вт/(м × К) малоэффективно и повышает тепловую эффективность на 3 ¸ 4 %.

Источник

Трубка фильда что это

Изобретение относится к машиностроению, а именно к трубам Фильда для высокотемпературных трубчатых теплообменных аппаратов, например для прямоточных парогенераторов ядерных энергетических установок с нагревающим жидкометаллическим теплоносителем (например, сплав свинца с висмутом).

Известна труба Фильда (патент JP 58184498, опубликован 27.10.1983), содержащая внутреннюю трубу с навитой на нее проволокой и наружную трубу, охватывающую внутреннею трубу. Проволока обеспечивает, в частности, интенсификацию теплообменных процессов в потоке теплоносителя, протекающего в трубе Фильда. Однако эта конструкция неэффективна при использовании в прямоточном парогенераторе, в частности, из-за нежелательного паразитного теплообмена между теплоносителем в канале внутренней трубы (например, нисходящим потоком питательной воды) и теплоносителем в канале (например, восходящим потоком перегретого пара), образованным внешней поверхностью внутренней трубы и внутренней поверхностью внешней трубы. Это паразитный теплообмен уменьшает температуру перегретого пара на выходе кольцевого канала, что, в конечном счете, приводит к снижению технико-экономических показателей ядерной энергетической установки, использующей парогенератор.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является труба Фильда (Патент RU №50290, опубликован 27.12.2005) прямоточного парогенератора ядерной установки, содержащая опускную трубу, промежуточную трубу, установленную на ней с зазором, наружную трубу с внешней поверхностью, омываемой потоком нагревающего (внешнего) теплоносителя. Недостатком данной конструкции является, в частности, недостаточно высокая интенсивность теплоотдачи между внутренней поверхностью наружной трубы и соприкасающимся с ней потоком внутреннего теплоносителя. Это снижает эффективность образования перегретого пара в случае использования указанной трубы Фильда в прямоточном парогенераторе, что ведет к снижению технико-экономических показателей ядерной энергетической установки, использующей парогенератор.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в повышении технико-экономических показателей ядерной энергетической установки, использующей прямоточный парогенератор с трубами Фильда. В частности, она состоит в увеличении температуры перегретого пара, вырабатываемого парогенератором.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является устранение вышеперечисленных недостатков, а именно: повышение коэффициента теплоотдачи между внутренней поверхностью наружной трубы (нагретой внешним теплоносителем) и соприкасающимся с ней потоком внутреннего теплоносителя, а также уменьшение паразитного теплообмена между теплоносителем в канале внутренней трубы (например, нисходящим потоком питательной воды) и теплоносителем в канале (например, восходящим потоком перегретого пара), образованным внешней поверхностью внутренней трубы и внутренней поверхностью внешней трубы.

На указанные технические результаты оказывают влияние следующие существенные признаки трубы Фильда.

Труба Фильда прямоточного парогенератора содержит опускную трубу, промежуточную трубу, установленную с зазором на опускной трубе, и наружную трубу с внешней поверхностью, омываемой потоком нагревающего теплоносителя, причем зазор содержит теплоизоляционный материал, в нижней торцевой части зазора размещен герметизирующий элемент, на внешней поверхности промежуточной трубы расположен спиральный элемент, выполненный с возможностью интенсификации теплообменных процессов между нагревающим теплоносителем и внутренним теплоносителем в трубе Фильда.

Краткое описание чертежей

На Фиг.1 показан вариант конструкции трубы Фильда с дополнительным герметизирующим элементом в верхней торцевой части зазора и гофрированной промежуточной трубой.

На Фиг.2 показан поперечный разрез трубы Фильда для варианта трубы Фильда по Фиг.1.

На Фиг.3 показан вариант конструкции трубы Фильда с дистанционирующим элементом в виде проволки, закрепленной на торцах опускной трубы.

На Фиг.4 показан поперечный разрез трубы Фильда для варианта трубы Фильда по Фиг.3.

Устройство функционирует следующим образом (см. Фиг 1, 3). Внутренний теплоноситель (питательная вода на входе опускной трубы 4) опускается вниз по опускной трубе теплообменной трубы Фильда прямоточного парогенератора. Далее поток внутреннего теплоносителя поворачивает у закрытого конца наружной трубы 2 на 180° и по зазору между промежуточной трубой и внутренней поверхностью наружной трубы 2 поднимается вверх. При подъеме вверх внутренний теплоноситель нагревается из-за передачи ему тепла со стороны нагревающего (внешнего) теплоносителя через стенки наружной трубы.

При движении вверх внутренний теплоноситель нагревается с превращением в пароводяную смесь, переходящую в перегретый пар, в результате теплопередачи, от нагревающего теплоносителя. В нижней зоне подъема (по зазору между промежуточной трубой и внутренней поверхностью наружной трубы 2) теплоноситель представляет собой жидкость с частицами пара внутри. Далее при подъеме теплоноситель представляет собой пар с каплями воды (средняя зона). И наконец, в верхней зоне подъема образуется перегретый пар (пар, не содержащий капель воды), поступающий в канал с трубными досками 8.

При взаимодействии со спиральным элементом 5 поток внутреннего теплоносителя закручивается, его скорость увеличивается, соответственно растет коэффициент теплоотдачи (от стенки наружной трубы 2 к внутреннему теплоносителю) и происходит интенсификация тепловых процессов, обеспечивающих формирование перегретого пара. Такой эффект действует в нижней и верхних зонах подъема. В средней зоне интенсификация теплообмена происходит за счет действия центробежной силы (возникающей при закручивании капель воды в паре из-за взаимодействия их со спиральным элементом) на капли воды в потоке пара, которая также ведет к увеличению коэффициента теплоотдачи.

Наличие теплоизолированного зазора 6 препятствует нежелательному радиальному теплообмену между проходящей вниз по опускной трубе 4 питательной воды и формирующейся пароводяной смесью, поднимающейся по зазору между наружной и промежуточной трубами. Это, в конечном счете, также ведет к более эффективному формированию пара.

Предложенная конструкция трубы Фильда может быть изготовлена промышленным способом и использована в высокотемпературных трубчатых теплообменных аппаратах типа прямоточных парогенераторов.

Источник

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Фильда

Филонова уравнение 34 Фильда трубки 460 ел. [62]

Иногда теплообменники с трубками Фильда выполняются в виде сборок на трубных досках, скрепленных с охлаждаемыми или нагреваемыми емкостями. Такого типа теплообменники имеют ряд преимуществ перед кожухотрубными. [63]

Недостатком теплообменников с трубками Фильда является консольное расположение графитовых труб, в силу чего они испытывают большие нагрузки от собственного веса. [64]

При этом условии ванна Фильда получается очень узкой и длинной, что не всегда удобно. [66]

Еще в 1907 г. Фильд и Тигре [24] изучали электромиграцию коллоидов в агаровом геле, но серьезное применение этого метода к проблемам исследования структуры белка относится к 1946 г. когда Консден, Гордон и Мартин [25] исследовали смесь пептидов из гидролизатов шерсти. [67]

Конструктивной особенностью котла-утилизатора с трубками Фильда является отсутствие дренажных устройств, позволяющих выводить из котла шлам, который попадает туда после промывки системы паропроизводства. Поэтому нормальная работа такого котла возможна только при интенсивной циркуляции жидкости так, чтобы зазор между наружной и внутренней стенками всегда был чистым, что приводит к необходимости поддержания работы агрегата на уровне тепловой нагрузки не менее 85 % от номинала. Это же требование определяет условия включения котла-утилизатора в работу и условия, обеспечивающие качественную промывку котла перед монтажом, при котором необходимо обеспечить равномерный зазор между внутренней и наружной трубками. Промывку котла-утилизатора с трубками Фильда ведут в отдельном контуре, что исключает занос котла грязью из других контуров. [68]

Источник

Труба фильда

Владельцы патента RU 2534337:

Изобретение относится к машиностроению, а именно к трубам Фильда для высокотемпературных трубчатых теплообменных аппаратов, например для прямоточных парогенераторов ядерных энергетических установок с нагревающим жидкометаллическим теплоносителем (например, сплав свинца с висмутом).

Известна труба Фильда (патент JP 58184498, опубликован 27.10.1983), содержащая внутреннюю трубу с навитой на нее проволокой и наружную трубу, охватывающую внутреннею трубу. Проволока обеспечивает, в частности, интенсификацию теплообменных процессов в потоке теплоносителя, протекающего в трубе Фильда. Однако эта конструкция неэффективна при использовании в прямоточном парогенераторе, в частности, из-за нежелательного паразитного теплообмена между теплоносителем в канале внутренней трубы (например, нисходящим потоком питательной воды) и теплоносителем в канале (например, восходящим потоком перегретого пара), образованным внешней поверхностью внутренней трубы и внутренней поверхностью внешней трубы. Это паразитный теплообмен уменьшает температуру перегретого пара на выходе кольцевого канала, что, в конечном счете, приводит к снижению технико-экономических показателей ядерной энергетической установки, использующей парогенератор.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является труба Фильда (Патент RU №50290, опубликован 27.12.2005) прямоточного парогенератора ядерной установки, содержащая опускную трубу, промежуточную трубу, установленную на ней с зазором, наружную трубу с внешней поверхностью, омываемой потоком нагревающего (внешнего) теплоносителя. Недостатком данной конструкции является, в частности, недостаточно высокая интенсивность теплоотдачи между внутренней поверхностью наружной трубы и соприкасающимся с ней потоком внутреннего теплоносителя. Это снижает эффективность образования перегретого пара в случае использования указанной трубы Фильда в прямоточном парогенераторе, что ведет к снижению технико-экономических показателей ядерной энергетической установки, использующей парогенератор.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в повышении технико-экономических показателей ядерной энергетической установки, использующей прямоточный парогенератор с трубами Фильда. В частности, она состоит в увеличении температуры перегретого пара, вырабатываемого парогенератором.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является устранение вышеперечисленных недостатков, а именно: повышение коэффициента теплоотдачи между внутренней поверхностью наружной трубы (нагретой внешним теплоносителем) и соприкасающимся с ней потоком внутреннего теплоносителя, а также уменьшение паразитного теплообмена между теплоносителем в канале внутренней трубы (например, нисходящим потоком питательной воды) и теплоносителем в канале (например, восходящим потоком перегретого пара), образованным внешней поверхностью внутренней трубы и внутренней поверхностью внешней трубы.

На указанные технические результаты оказывают влияние следующие существенные признаки трубы Фильда.

Труба Фильда прямоточного парогенератора содержит опускную трубу, промежуточную трубу, установленную с зазором на опускной трубе, и наружную трубу с внешней поверхностью, омываемой потоком нагревающего теплоносителя, причем зазор содержит теплоизоляционный материал, в нижней торцевой части зазора размещен герметизирующий элемент, на внешней поверхности промежуточной трубы расположен спиральный элемент, выполненный с возможностью интенсификации теплообменных процессов между нагревающим теплоносителем и внутренним теплоносителем в трубе Фильда.

Краткое описание чертежей

На Фиг.1 показан вариант конструкции трубы Фильда с дополнительным герметизирующим элементом в верхней торцевой части зазора и гофрированной промежуточной трубой.

На Фиг.2 показан поперечный разрез трубы Фильда для варианта трубы Фильда по Фиг.1.

На Фиг.3 показан вариант конструкции трубы Фильда с дистанционирующим элементом в виде проволки, закрепленной на торцах опускной трубы.

На Фиг.4 показан поперечный разрез трубы Фильда для варианта трубы Фильда по Фиг.3.

Устройство функционирует следующим образом (см. Фиг 1, 3). Внутренний теплоноситель (питательная вода на входе опускной трубы 4) опускается вниз по опускной трубе теплообменной трубы Фильда прямоточного парогенератора. Далее поток внутреннего теплоносителя поворачивает у закрытого конца наружной трубы 2 на 180° и по зазору между промежуточной трубой и внутренней поверхностью наружной трубы 2 поднимается вверх. При подъеме вверх внутренний теплоноситель нагревается из-за передачи ему тепла со стороны нагревающего (внешнего) теплоносителя через стенки наружной трубы.

При движении вверх внутренний теплоноситель нагревается с превращением в пароводяную смесь, переходящую в перегретый пар, в результате теплопередачи, от нагревающего теплоносителя. В нижней зоне подъема (по зазору между промежуточной трубой и внутренней поверхностью наружной трубы 2) теплоноситель представляет собой жидкость с частицами пара внутри. Далее при подъеме теплоноситель представляет собой пар с каплями воды (средняя зона). И наконец, в верхней зоне подъема образуется перегретый пар (пар, не содержащий капель воды), поступающий в канал с трубными досками 8.

При взаимодействии со спиральным элементом 5 поток внутреннего теплоносителя закручивается, его скорость увеличивается, соответственно растет коэффициент теплоотдачи (от стенки наружной трубы 2 к внутреннему теплоносителю) и происходит интенсификация тепловых процессов, обеспечивающих формирование перегретого пара. Такой эффект действует в нижней и верхних зонах подъема. В средней зоне интенсификация теплообмена происходит за счет действия центробежной силы (возникающей при закручивании капель воды в паре из-за взаимодействия их со спиральным элементом) на капли воды в потоке пара, которая также ведет к увеличению коэффициента теплоотдачи.

Наличие теплоизолированного зазора 6 препятствует нежелательному радиальному теплообмену между проходящей вниз по опускной трубе 4 питательной воды и формирующейся пароводяной смесью, поднимающейся по зазору между наружной и промежуточной трубами. Это, в конечном счете, также ведет к более эффективному формированию пара.

Предложенная конструкция трубы Фильда может быть изготовлена промышленным способом и использована в высокотемпературных трубчатых теплообменных аппаратах типа прямоточных парогенераторов.

1. Труба Фильда, содержащая опускную трубу, промежуточную трубу, установленную с зазором на опускной трубе, и наружную трубу с внешней поверхностью, омываемой потоком нагревающего теплоносителя, причем зазор содержит теплоизоляционный материал, в нижней торцевой части зазора размещен герметизирующий элемент, а на внешней поверхности промежуточной трубы расположен спиральный элемент.

2. Труба Фильда по п.1, отличающаяся тем, что в верхней торцевой части зазора размещен герметизирующий элемент.

3. Труба Фильда по п.1, отличающаяся тем, что теплоизоляционный материал выбран из группы или смеси материалов, включающих пар и воду.

4. Труба Фильда по п.2, отличающаяся тем, что теплоизоляционный материал является газом.

5. Труба Фильда по п.1, отличающаяся тем, что на промежуточной трубе сформированы поперечные гофры, выполненные с возможностью компенсации разности температурных удлинений опускной и промежуточной труб и обеспечения дистанционирования промежуточной трубы.

6. Труба Фильда по п.5, отличающаяся тем, что глубина гофр на промежуточной трубе меньше ширины зазора, а опускная труба содержит дистанционирующий элемент.

7. Труба Фильда по п.6, отличающаяся тем, что дистанционирующий элемент представляет собой продольные ребра, соприкасающиеся с гофрами, или проволоку, закрепленную на торцах опускной трубы.

8. Труба Фильда по п.1, отличающаяся тем, что спиральный элемент выполнен в виде спирально навитого проволочного элемента с диаметром, равным или меньше ширины зазора между внешней и промежуточной трубами, и шагом навивки, равным от 0,5 до 50 величины наружного диаметра промежуточной трубы.

Источник