ТЕПЛООБМЕННИК "ТРУБА В ТРУБЕ"

Техническое решение относится к теплообменному оборудованию типа «труба в трубе», которое может найти применение в химической, нефтехимической, машиностроительной, атомной, энергетической, судостроительной, медицинской и других отраслях промышленности.
Известен теплообменник типа труба в трубе для жидких и газообразных сред, содержащий концентрично расположенные в цилиндрическом корпусе теплообменную трубу и наружный турбулизатор, делящий межтрубное пространство на входную и выходную полости и имеющий на поверхности отверстия, служащие вводом среды в полость между теплообменной трубой и наружным турбулизатором, отличающийся тем, что в теплообменной трубе концентрично расположен внутренний турбулизатор, делящий межтрубное пространство на входную и выходную полости и имеющий на поверхности отверстия, служащие вводом среды в полость между теплообменной трубой и внутренним турбулизатором (патент РФ №2502930, F28F 1/00, 2013 г.).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится сложность обеспечения герметичности шести уплотнений при высоком давлении, а так как три уплотнения из этих шести находятся внутри теплообменника, то их сложно контролировать и в случае потери герметичности теплоносители могут смешаться друг с другом.
Известна конструкция двухтрубного теплообменника с компенсирующими устройствами, состоящего из наружной и внутренней теплообменных труб и элементов их соединения в вертикальный ряд - секцию. При этом внутренние трубы соединяют между собой калачами, а наружные - штуцерами с фланцевыми креплениями. Звенья секций крепятся скобами к металлическому каркасу, сваренному из уголков, швеллеров и косынок. Кольцевую щель между трубами уплотняют с помощью сальника. Последний состоит из фланца, стакана сальниковой набивки и прижимной втулки. При затяжке шпилек втулка сжимает набивку, которая герметизирует кольцевой канал (Шаповалов, Ю.Н. Машины и аппараты общехимического назначения: уч. пособие / Ю.Н. Шаповалов, B.C. Шеин - Воронеж: Изд-во ВГУ, 1981. - С. 110-111).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится сложность обеспечения герметичности кольцевой щели между трубами с помощью набивки, особенно при высоком давлении рабочей среды в межтрубном пространстве.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявляемому объекту и принятому за прототип относится, теплообменник «труба в трубе», содержащий наружную трубу с тангенциально расположенными патрубками входа и выхода одного теплоносителя, внутреннюю теплообменную трубу для другого теплоносителя, спиральную ленту с упорами на обоих концах, установленную во внутренней теплообменной трубе с возможностью вращения и возвратно-поступательного перемещения в подшипниковых опорах, пружины, размещенные каждая на конце спиральной ленты между упором и подшипниковой опорой, крыльчатку, установленную на внутренней теплообменной трубе напротив патрубка входа теплоносителя наружной трубы с возможностью вращения, и пружину, установленную за крыльчаткой коаксиально на внутренней теплообменной трубе и соединенную с крыльчаткой, причем наружная и внутренняя теплообменные трубы соединены между собой разъемно посредством фланцев и болтового соединения, при этом наружная труба соединена с обоими фланцами неразъемно, внутренняя теплообменная труба с одним из фланцев соединена неразъемно, а другой фланец выполнен съемным (патент на полезную модель №56580, F28F 1/00, 2006 г.).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится сложность обеспечения герметичности уплотнения в стакане, так как болтовое соединение съемного фланца не может обеспечить одновременно герметичность прокладки и уплотнения между съемным стаканом и концом трубы, а также при высоком давлении и износе уплотнения может произойти смешение теплоносителей.
Техническим результатом предполагаемой конструкции теплообменника «труба в трубе» является повышение надежности работы при высоком давлении рабочей среды в межтрубном пространстве за счет более качественной герметизации узла уплотнения разъемного соединения.
Технический результат достигается тем, что в теплообменнике «труба в трубе», содержащем наружную трубу с патрубками входа и выхода одного теплоносителя, внутреннюю теплообменную трубу для другого теплоносителя, соединенные между собой разъемно с помощью фланцев и болтового соединения, при этом наружная труба соединена с обоими фланцами неразъемно, внутренняя теплообменная труба с одним из фланцев соединена неразъемно, а другой фланец выполнен съемным, причем на одном конце внутренней теплообменной трубы соосно с ней неразъемно закреплена втулка с гильзой, имеющей на наружной поверхности резьбу, на которую для дополнительной герметизации съемного фланца установлена гайка, а съемный фланец установлен со скользящей посадкой на втулке, а между съемным фланцем и гайкой установлен сальник, причем отношение наружного диаметра втулки и внутреннего диаметра наружной трубы составляет
где d - наружный диаметр втулки, м;
D - внутренний диаметр наружной трубы, м.
Неразъемное закрепление на одном конце внутренней теплообменной трубы втулки с гильзой, имеющей на наружной поверхности резьбу, позволяет увеличить надежность работы за счет повышения прочности этого конца внутренней теплообменной трубы, не ослабляя ее стенки резьбой, особенно, когда толщина стенки внутренней трубы незначительна. Кроме того, это позволяет многократно просто и быстро разбирать и собирать вместе внутреннюю и наружную трубы с использованием этой втулки с гильзой как опорного элемента всей конструкции.
Снабжение гильзы гайкой позволяет просто и надежно проводить дополнительную герметизацию межтрубного пространства, прижимая при вращении гайку к боковой поверхности съемного фланца, что повышает надежность работы при высоком давлении рабочей среды в межтрубном пространстве.
Установка съемного фланца со скользящей посадкой на втулке и выполнение уплотнения в виде сальника позволяет быстро, просто и надежно герметизировать межтрубное пространство наружной и внутренней труб при сборке обеих труб, что также повышает надежность работы при высоком давлении рабочей среды.
Увеличение верхнего предела заявляемого отношения (1) сверх указанной величины, равной 0,92, приводит к уменьшению монтажного зазора между наружной поверхностью втулки и внутренней поверхностью наружной трубы. Это может привести к заклиниванию втулки относительно наружной трубы и нарушению ее прочности, что уменьшает надежность работы при высоком давлении рабочей среды.
Уменьшение нижнего предела заявляемого отношения (1) менее указанной величины, равной 0,85, снижает толщину и прочность втулки, что может привести к ее поломке при эксплуатации, сборке или разборке теплообменника «труба в трубе», особенно, когда в межтрубном пространстве рабочая среда имеет высокое давление, что также снижает надежность работы теплообменника.
Таким образом, неразъемное закрепление на одном конце внутренней теплообменной трубы соосно с ней втулки с гильзой, имеющей резьбу на наружной поверхности, и установка со скользящей посадкой на втулке съемного фланца, а также снабжение гильзы гайкой, при отношении наружного диаметра втулки и внутреннего диаметра наружной трубы, подчиняющегося условию (1), позволяет повысить надежность работы при высоком давлении рабочей среды в межтрубном пространстве за счет более качественной герметизации узла уплотнения разъемного соединения.
На фиг. 1 представлен общий вид предлагаемой конструкции теплообменника «труба в трубе».
Он состоит из наружной трубы 1 с патрубками входа 2 и выхода 3 одного теплоносителя, внутренней теплообменной трубы 4 с патрубками входа 5 и выхода 6 другого теплоносителя, фланца 7, неразъемно соединенного с внутренней теплообменной трубой 4 на одном ее конце и втулки 8 с гильзой 9, имеющей резьбу на наружной поверхности, неразъемно и соосно закрепленной на другом конце внутренней теплообменной трубы 4. На одном конце наружной трубы 1 установлен неразъемный с ней фланец 10, соединенный с фланцем 7 через прокладку 11 болтовым соединением 12. На другом конце наружной трубы 1 установлен неразъемный с ней фланец 13, а на втулке 8, съемный фланец 14, установленный со скользящей посадкой на этой втулке, и соединенный с фланцем 13 через прокладку 15 болтовым соединением 16. Снаружи на резьбу гильзы 9 навинчена гайка 17. Для герметизации сопряженных поверхностей втулки 8, гильзы 9, съемного фланца 14 и гайки 17 между ними установлен сальник 18.
Сборку теплообменника «труба в трубе» осуществляют следующим образом.
Устанавливают прокладку 11 на фланце 10. Устанавливают наружную трубу 1 на внутреннюю трубу 4, продвигая ее слева направо до фланца 7. Завинчивая гайки болтов 12, герметично уплотняя фланцы 7 и 10 на прокладке 11. Устанавливают съемный фланец 14 со скользящей посадкой на втулку 8 до контакта его с фланцем 13 и подтягивают, герметично уплотняя фланцы 13 и 14 на прокладке 15, с помощью болтового соединения 16. Устанавливают сальник 18 на резьбу гильзы 9 и прижимают его с помощью гайки 17 к наружной поверхности втулки 8 и внутренней кольцевой поверхности съемного фланца 14, герметизируя эти сопряженные с гайкой 17 поверхности.
Разборку теплообменника «труба в трубе» ведут в обратном порядке. Раскручивают гайку 17 и снимают сальник 18 с резьбы гильзы 9. Раскручивают гайки болтового соединения 16, снимают съемный фланец 14 с втулки 8. Раскручивают гайки болтового соединения 12 и снимают наружную трубу 1 с внутренней трубы 4, продвигая ее справа налево. При необходимости очищают наружную и внутреннюю теплообменные поверхности внутренней трубы 4 известными методами (щетками, гидроабразивной или пескоструйной обработкой и др.).
Таким образом, неразъемное соосное закрепление на одном конце внутренней теплообменной трубы 4 втулки 8 с гильзой 9, имеющей резьбу на наружной поверхности, установка съемного фланца 14, образующего разъемное соединение со скользящей посадкой с этой втулкой 8 при выполнении наружного диаметра втулки 8 и внутреннего диаметра наружной трубы 1, подчиняющегося условию (1), а также снабжение гильзы 9 гайкой 17, позволяет легко и быстро герметично устанавливать внутреннюю трубу 4 внутри наружной трубы 1 и также легко и быстро эти трубы разъединять для ремонта и очистки от загрязнений наружной и внутренней теплообменных поверхностей внутренней трубы 4 и внутренней поверхности наружной трубы 1. Кроме того, технологические операции сборки и разборки несложны, не требуют специальных инструментов и специальной длительной подготовки обслуживающего персонала. Все выше сказанное позволяет повысить надежность работы предлагаемой конструкции теплообменника «труба в трубе» при высоком давлении рабочей среды в межтрубном пространстве за счет более качественной герметизации узла уплотнения разъемного соединения.