ТЕПЛООБМЕННИК ТИПА "ТРУБА В ТРУБЕ"

Предлагаемая конструкция теплообменного аппарата относится к теплообменникам типа «труба в трубе», когда во внутренней трубе движется газовый теплоноситель, и может найти применение в химической, нефтехимической, газоперерабатывающей, металлургической, машиностроительной, энергетической, строительной и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах очистки дымовых газов и вентиляционных вопросов при утилизации их тепловой энергии.
Известен теплообменник, содержащий наружную и внутреннюю трубы, встроенные друг в друга, с присоединительными фланцами и патрубками отвода греющей (охлаждающей) среды, с горизонтальным U-образным соединением с отводами, внутренняя труба теплообменника с одной стороны жестко закреплена к фланцам наружной трубы, а второй конец внутренней трубы соединен отводом и установлен на опорах, приваренных к внешней трубе. Для обеспечения свободного перемещения внутренней трубы вследствие температурных удлинений втулки опоры изготовлены с зазором из материала с низким коэффициентом трения (патент №2489663, F28D 7/14; F28F 9/013.2013).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится постепенное увеличение гидравлического сопротивления из-за образования термических отложений (накипи, солевого камня, продуктов деструкции и др.) на теплопередающих поверхностях внутренней трубы в процессе эксплуатации теплообменника.
Известна теплообменная труба с турбулизирующей вставкой внутри, выполненной в виде волнообразной пластины, имеющей подрезы с отогнутыми кромками, которые служат ребрами и смещены относительно оси трубы, при этом пластина имеет ширину, составляющую (0,25÷0,8)d и длину волн (1÷2)d, где d - внутренний диаметр трубы (описание изобретения к авторскому свидетельству СССР №1019206, F28F 1/40; F28F 13/12, 1983).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится высокое гидравлическое сопротивление турбулизирующей вставки, которое повышается со временем из-за отложений термических загрязнителей (сажи, продуктов деструкции, окислов, солей и др.) на внутренних стенках трубы и поверхности пластины.
Известен теплообменник «труба в трубе», в котором внутрь внутренней трубы установлена турбулизирующая вставка в виде закругленной по винтовой спирали полосы из металлического листа с турбулизирующими лопастями вдоль ее продольных кромок (патент СССР №1222207, F28F 1/42, 1986).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится повышение гидродинамического сопротивления и постепенное отложение термических загрязнений на стенке внутренней трубы и поверхности турбулизирующей вставки.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявляемому объекту и принятому за прототип относится теплообменник типа «труба в трубе», состоящий из корпуса с патрубками для подвода нагреваемого теплоносителя, отвода охлаждаемого теплоносителя, внутренней трубы с наружным оребрением, при этом внутренняя труба помимо наружного оребрения имеет внутреннее оребрение, выполненное в виде цельнометаллических стержней, расположенных в шахматном порядке, и содержит интенсификатор потока, представляющий собой заглушенную с двух сторон трубу (патент РФ №135101, F28D 7/10, 2013).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата является статическое неподвижное положение цельнометаллических стержней и интесификатора потока, что приводит к постепенному нарастанию термических загрязнений на поверхности стержней, интенсификатора потока и внутренней поверхности внутренней трубы и росту термических сопротивлений, что требует остановку на ремонт и снижает производительность.
Техническим результатом предполагаемой конструкции теплообменника типа «труба в трубе» является снижение термического сопротивления движению газового теплоносителя во внутренней трубе за счет предотвращения образования термических отложений на стенках внутренней трубы и поверхности интенсификатора потока при его непрерывной вибрации, что позволяет сохранить высокую скорость теплообмена и обеспечивает большую производительность в течение длительного периода работы без остановки на очистку от этих отложений.
Поставленный технический результат достигается тем, что в теплообменнике типа «труба в трубе», состоящий из корпуса с патрубками для подвода нагреваемого теплоносителя, отвода охлажденного теплоносителя, и интенсификатора потока, установленного во внутренней трубе, причем интенсификатор потока представляет собой струну, натянутую между опорным кольцом и съемным фланцем, установленным на одном конце теплообменника, причем поперек опорного кольца внутри него жестко закреплен стержень, в котором закреплен один конец струны, а другой конец струны закреплен в натяжном устройстве, закрепленном поперек съемного фланца, установленного на втором конце теплообменника, и представляющем собой ось, закрепленную на стенках этого фланца, в центральной части которой с возможностью вращения установлен барабан с ребордами для наматывания на него струны, причем с одной стороны барабана на оси выполнена резьба, на которую навинчена гайка, при этом сила натяжения струны определяется из выражения:
где F - сила натяжения струны, H;
π - число Архимеда;
3
ρ - плотность материала струны, кг/м;
c - скорость звука в газовом теплоносителе, движущемся во внутренней трубе, м/с;
d - диаметр струны, м.
Выполнение интенсификатора потока газа в виде струны, натянутой между опорным кольцом и съемным фланцем, заставляет эту струну вибрировать под влиянием потока газового теплоносителя, движущегося во внутренней трубе, что вызывает поперечные колебания в газовом теплоносителе и предупреждает образование термических загрязнений на теплопередающей поверхности внутренней трубы и снижает ее термическое сопротивление длительный период работы, а значит, обеспечивает высокую производительность.
Установка съемного фланца на одном конце теплообменника и установка внутри опорного кольца поперек него неподвижного стержня упрощает установку струны во внутренней трубе, так как не требует изменения конструкции теплообменника типа «труба в трубе» и позволяет установить вышеназванные узлы предлагаемой конструкции как на действующих, так и вновь устанавливаемых типовых теплообменниках типа «труба в трубе», что упрощает ремонт, сокращает его время, а значит увеличивает производительность за счет увеличения времени основной работы.
Установка внутри опорного кольца поперек него неподвижного стержня с закрепленным на нем одного конца струны позволяет удерживать этот конец струны в напряженном состоянии под действием силы натяжения, даже если струна начинает вибрировать с большой амплитудой, что предупреждает образование отложений из газового теплоносителя во внутренней трубе, обеспечивает длительной период работы теплообменника снижает его термическое сопротивление, а значит, увеличивает время основной работы и производительность в целом.
Установка поперек съемного фланца внутри него натяжного устройства, расположенного на втором конце теплообменника и представляющего собой ось, закрепленную на стенках этого фланца, в центральной части которой установлен с возможностью вращения барабан с ребордами, позволяет наматывать на барабан другой конец струны, а реборды на краях барабана пресекают возможность соскальзывания намотанных на барабан витков струны при ее натяжении. Это позволяет в струне создавать необходимую силу натяжения, обеспечивающую ее колебания с высокой амплитудой, что приводит к предупреждению образования отложений из газового теплоносителя во внутренней трубе, снижает термическое сопротивление, увеличивает основное время работы, а значит и производительность.
Выполнение резьбы на оси с одной стороны барабана, на которую навинчена гайка, позволяет при отворачивании этой гайки свободно вращать барабан на оси и с помощью динамического ключа создавать в струне необходимую силу натяжения, обеспечивающую резонансные колебания струны с высокой амплитудой, а при завинчивании этой гайки прижимать ее торец к реборде барабана, что предотвращает вращение барабана относительно оси при вибрациях струны, позволяет поддерживать в струне необходимую силу натяжения, обеспечивающую высокую амплитуду поперечных колебаний струны, способствующую предупреждению отложений на стенках трубы в газовом теплоносителе во внутренней трубе и снижению термического сопротивления, что обеспечивает высокую производительность длительный период без остановок на ремонт.
Создание силы натяжения струны, соответствующей выражению (1), приводит к равенству частоты собственных поперечных колебаний струны с частотой колебаний газового теплоносителя, движущегося во внутренней трубе, что приводит к резонансному режиму поперечных колебаний струны с высокой амплитудой и способствует предупреждению термических отложений в газовом теплоносителе во внутренней трубе и снижению гидравлического сопротивления.
Известно, что частота колебаний ν любого газа, движущегося в трубе описывается уравнением:
где l - длина трубы, м; [Яворский Б.М., Детлаф А.А., Справочник по физике, - М: государственное издательство физико-математической литературы, 1968, с. 102].
c
Частота поперечных колебаний струны ν описывается формулой:
[Элементарный учебник физики Т. 3 / Под редакцией Г.С. Ландсберга. - М; Наука, 1986, с. 127].
Приравнивая правые части уравнений (1) и (2) после алгебраических преобразований получаем выражение (1) для силы натяжения струны, обеспечивающей резонансный режим колебаний струны с высокой амплитудой вместе с газовым теплоносителем, движущимся во внутренней трубе.
На фиг. 1 изображена схема общего вида в разрезе предлагаемой конструкции теплообменника «труба в трубе»; на фиг. 2 - съемный фланец с натяжным устройством; на фиг. 3 - увеличенный разрез А-А съемного фланца с натяжным устройством для натяжения струны.
Теплообменник «труба в трубе» состоит из внутренней 1 и наружной 2 трубы, струны 3, установленной во внутренней трубе 1, опорного кольца 4 на одном конце внутренней трубы 1 с жестко закрепленным в нем стержнем 5 и закрепленным в стержне 5 одним концом струны 3, съемного фланца 6 на другом конце внутренней трубы 1 с установленным внутри него натяжным устройством, представляющим собой ось 7, закрепленную на стенках поперек съемного фланца 6, в центральной части которой с возможностью вращения установлен барабан 8 с ребордами 9 и 10 для наматывания на него другого конца струны 3, при этом реборда 9 барабана имеет шестигранное сечение под гаечный ключ, а реборда 10 - круглая. На оси 7 со стороны реборды 10 выполнена резьба 11, на которую навинчена гайка 12, а со стороны реборды 9 на оси 7 выполнено круглое ребро 13. Внутренняя труба 1 взаимодействует с коленами 14 и 15 с обеих сторон посредством фланцев 16 и 17. На наружной трубе 2 установлены патрубки 18 и 19 для подвода и отвода теплоносителя.
Сборка предлагаемой конструкции двухтрубного теплообменника осуществляют следующим образом.
Устанавливают опорное кольцо 4 с одной стороны открытой внутренней трубы 1 с закрепленным в ней одним концом струны 3 на стержне 5. Другой конец струны 3 пропускают через внутреннюю трубу 1 (на фиг. 1 - слева направо). Герметично зажимают опорное кольцо 4 между фланцем 17, прокладками внутренней трубы 1 и фланцем колена 15. Свободный конец струны 3 закрепляют в барабане 8, приставляют справа съемный фланец 6 к открытому концу внутренней трубы 1 и предварительно с помощью болтов и гаек соединяют съемный фланец 6 с фланцем 16 внутренней трубы 1. Ослабляют гайку 12, отвинчивая ее с резьбы 11, устанавливают динамический ключ на шестигранную реборду 9 и вращая ее вместе с барабаном 8, накручивают на него струну 3, обеспечивая ее растягивание с необходимой силой натяжения, определенной по выражению (1). Силу натяжения контролируют динамометрическим ключом. Закручивают гайку 12, прижимая ее к реборде 10 барабана 8, и соответственно одновременно прижимают реборду 9 к торцу круглого ребра 13 на оси 7. Для предотвращения раскручивания гайки 12 под действием поперечной вибрации струны 3 можно установить выше нее на резьбу 11 вторую гайку 12, так называемую контргайку. Отвинчивают болты и гайки съемного фланца 6, так как его удерживает на фланце 16 сила прижатия, с которой натянута струна 1, приставляют к правому концу внутренней трубы 1 колено 14 и герметично соединяют между собой посредством прокладок и болтовых соединений и фланца 16 внутреннюю трубу 1, съемный фланец 6, с находящимся в нем натяжным устройством, с коленом 14.
Устройство работает следующим образом.
c
Подают в наружную трубу 2 через патрубок 18 один из теплоносителей и отводят его по патрубку 19. Через колено 14 противотоком подают газовый теплоноситель во внутреннюю трубу 1 и отводят его через колено 15. Газовый теплоноситель во внутренней трубе 1 совершает колебания с частотой ν, определяемой по уравнению (2). Так как струна 3 имеет силу натяжения F, определяемую выражением (1), то собственная частота поперечных колебаний ν совпадает с частотой колебаний газового теплоносителя, движущегося во внутренней трубе 1. Это обеспечивает резонансный режим поперечных колебаний струны 3 с большой амплитудой, который турбулизирует газовый теплоноситель, предотвращая отложения обычно накапливающиеся на теплопередающей стенке внутренней трубы 1, увеличивает время основной работы с большим теплопереносом от горячего теплоносителя к холодному без остановок на ремонт и удаление этих отложений, а значит повышает производительность.
3
Пример. Определим силу натяжения струны 3, выполненной из стальной проволоки плотностью ρ=8000 кг/м, толщиной d=0,3 мм. Во внутренней трубе 1 теплообменника «труба в трубе» нагревается воздух перед подачей его в сушилку. Скорость звука в воздухе c=330 м/с. длина внутренней трубы 1 составляет l=6 м.
Согласно выражению (10) сила натяжения струны 3 должна иметь величину:
или F=6,25 кг, то есть, вращая барабан 8 и закручивая на него струну 3 с помощью динамометрического ключа необходимо зафиксировать силу натяжения, равную 6,25 кг. Частота колебаний нагреваемого воздуха во внутренней трубе 1 согласно уравнению (2) составит:
,
а собственная частота поперечных колебаний струны 3 во внутренней трубе 1 согласно уравнению (3):
.
Таким образом, предлагаемая конструкция теплообменника «труба в трубе» с интенсификатором потока во внутренней трубе 1, выполненным в виде струны 3, сила натяжения которой описывается выражением (1), позволяет создавать резонансный режим поперечных колебаний струны 3 с высокой амплитудой и частотой, равной частоте колебаний газового теплоносителя, движущегося во внутренней трубе 1, что обеспечивает турбулизацию газового теплоносителя, предотвращает образование отложений на теплопередающей поверхности внутренней трубы 1, снижает термическое сопротивление, обеспечивает длительный режим работы без остановки на ремонт с высокой скоростью теплопереноса и производительностью.