ТЕПЛООБМЕННЫЙ ЭЛЕМЕНТ

Полезная модель относится к теплообменной технике, в частности к конструкции теплообменных элементов и их изготовлению, и может быть использована в различных отраслях промышленности, связанных с процессами теплообмена в безопасных теплообменниках с двойными стенками и с возможностью обнаружения утечек.
Полезная модель предназначена для обеспечения защиты в устройствах, применяемых в нефтехимической, газовой, пищевой и фармацевтической промышленности и энергетике, осуществляющих теплообмен между веществами, утечки или смешивание которых недопустимы, например, взрывоопасные и пожароопасные вещества, токсичные вещества, или вещества, образующие при смешении друг с другом, либо с атмосферным воздухом взрывоопасные, самовоспламеняющиеся или токсичные смеси.
В частности, полезная модель может быть использована в безопасном теплообменнике, осуществляющем подогрев топливного природного газа газоперекачивающих агрегатов (ГПА), применяемых на компрессорных станциях магистральных газопроводов с использованием тепла масла из системы смазки ГПА, нагреваемого при работе ГПА. При этом обеспечивается гарантированная защита от попадания природного газа в маслосистему ГПА и таким образом исключается возможность взрыва газа в маслосистеме.
Также полезная модель может быть использована для безопасного охлаждения масла в промышленных трансформаторах с гарантированным исключением попадания токсичных компонентов трансформаторного масла в атмосферу.
Известен теплообменный элемент, содержащий трубу с продольными плавниковыми ребрами, при этом труба состоит из двух симметричных половин с ребрами с обеих сторон с возможностью соединения этих половин посредством сварки по ребрам, а внутри трубы с упором своими углами в стенки трубы установлен турбулизатор, представляющий собой волнообразную ленту с длиной волны, превышающей в 5-10 раз их высоту, которая составляет 0,4-0,7 от условного диаметра трубы (патент РФ №2377490, МПК F28F 1/10, F28F 1/42, публ. 2009 г).
Недостатком известного теплообменного элемента является то, что он изготовлен с помощью сварки по продольным ребрам (в углах сечения), что вызывает сложность радиографического контроля и необходимость дополнительной термообработки для уменьшения напряжений после сварки. При этом не обеспечивается возможность его использования для высокого внутреннего рабочего давления и высоких температур, и в процессах теплообмена в высоконагруженных или ответственных процессах, требующих повышенную надежность. Турбулизатор, выполненный из ленты, является металлоемким, и при его размещении внутри трубы значительно снижается проходное сечение и повышается гидравлическое сопротивление, а при наличии в среде загрязнения может вызывать образование в теплообменном элементе трудно удаляемых пробок.
Известен способ подогрева топливного газа с использованием двухтрубных теплообменников безопасности. Основными элементами этого вида теплообменников являются два пучка труб, соосно вставленные один в другой с зазором. Образующее пространство утечек заполнено после испытаний на заводе инертным газом при атмосферном давлении и герметизируется. Для снижения термического сопротивления зазора, на внутренней стенке наружных труб теплообменника выполнено продольное оребрение, а внутренние трубы гидравлически расширяются. Это обеспечивает прямой контакт материалов внутренних и внешних труб при сохранении межтрубной прослойки инертного газа. В случае утечки топливного газа из трубного пространства или теплоносителя из межтрубия, возрастает давление в межтрубном пространстве утечек и срабатывает аварийный датчик утечки («Предварительный подогрев топлива - путь повышения КПД газовых турбин» Франк Триш - Термо Интеграл, Лейпциг, Германия, журнал «Газотурбинные технологии», июль-август 2005 г., стр.2-3).
Недостатком известных теплообменников является сложность их изготовления, а именно, с учетом большой длины и малого диаметра теплообменных труб - выполнение и контроль качества продольного оребрения на внутренней стенке наружных труб.
Также недостатком известных теплообменников является низкий коэффициент теплоотдачи от среды, проходящей по внутренней трубе, в связи с отсутствием турбулизации потока в пристеночной области.
Известна теплообменная труба, выполненная с возможностью обнаружения течи, содержащая сборочный узел, состоящий из внешней трубы и внутренней трубы в плотном примыкающем контакте между ними и, по меньшей мере, одного канала для обнаружения течи, проходящего в контактной поверхности и рядом с ней между внутренней и внешней трубами, при этом в месте контакта между внутренней и внешней трубами выполнен тонкий пленкообразный слой из материала припоя, такого, как олово, который посредством плавления соединяется с внутренней трубой и с внешней трубой, причем внутренняя труба и внешняя труба примыкают друг к другу со смещением (патент РФ №2245500, МПК F28D 7/10, публ. 2005).
Недостатком известного устройства является то, что профилирование выполнено на внешней поверхности внутренней трубы (или внутренней поверхности наружной трубы) в виде канавок прямоугольной формы, которые являются концентраторами напряжения, снижающими прочность внутренней трубы (либо наружной трубы), особенно учитывая то, что при изготовлении труба подвергается расширению, после чего постоянно находится в напряженном состоянии и при работе испытывает значительный перепад температур при воздействии рабочего давления с обеих сторон трубы.
Также недостатком известного устройства является то, что при выдавливании припоя из промежутка между внутренней трубой и внешней трубой в канал для обнаружения течи, учитывая то, что канал выполнен винтовым и размеры его незначительны, сечение канала для обнаружения утечки может быть частично или полностью перекрыто припоем. При этом данный дефект можно обнаружить только по большому гидравлическому сопротивлению канала для обнаружения течи, но практически невозможно обнаружить конкретное место расположения, а также устранить дефект после сборки трубы.
Кроме того, в конструкции трубы не предусмотрен турбулизатор, обеспечивающий турбулентный режим течения среды во внутренней трубе.
Целью настоящей полезной модели является создание простой в изготовлении конструкции теплообменного элемента и повышение эффективности и безопасности его работы.
Технический результат заключается в улучшении технологичности изготовления теплообменного элемента, а также в повышении эффективности и безопасности его в работе за счет получения эффекта дополнительной турбулизации потока и конструктивным выполнением канала для обнаружения своевременной утечки газа и возможностью его удаления.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в следующем.
Теплообменный элемент выполнен с двойными стенками и с возможностью обнаружения утечки протекающей внутри элемента среды, и включает в себя вставленные друг в друга внутреннюю и внешнюю трубы, при этом наружная поверхность внутренней трубы входит в плотный контакт с внутренней поверхностью внешней трубы, а между ними образован, по меньшей мере, один канал для обнаружения утечки между двумя трубами. Новым в теплообменном элементе является то, что канал для обнаружения утечки между двумя трубами выполнен путем выдавливания наружной поверхности внутренней трубы внутрь трубы с образованием на наружной поверхности внутренней трубы винтовой канавки, расположенной между поверхностями обеих труб, и с образованием винтовых выступов на внутренней поверхности внутренней трубы для обеспечения дополнительной турбулизации потока среды, протекающего внутри теплообменного элемента.
Плотный контакт между внешней поверхностью внутренней трубы и внутренней поверхностью внешней трубы теплообменного элемента обеспечивается обжатием внешней трубы после сборки элемента.
Плотный контакт между внешней поверхностью внутренней трубы и внутренней поверхностью внешней трубы теплообменного элемента может обеспечиваться обжатием внешней трубы после сборки элемента при накатке на наружной поверхности наружной трубы ребер для увеличения поверхности теплообмена.
Плотный контакт между внешней поверхностью внутренней трубы и внутренней поверхностью внешней трубы теплообменного элемента может также обеспечиваться применением для наружной трубы более мягкого материала, чем для внутренней, и нагревом наружной трубы перед сборкой элемента.
На фиг.1 представлен теплообменный элемент с гладкой наружной трубой; на фиг.2 - представлен теплообменный элемент с оребренной наружной трубой.
Теплообменный элемент с гладкой наружной трубой (фиг.1) или оребренной наружной трубой (фиг.2) содержит внутреннюю металлическую трубу 1, наружную металлическую трубу 2, спиральную канавку 3, выдавленную на наружной поверхности внутренней трубы таким образом, что на внутренней поверхности внутренней трубы 1 образован спиральный выступ 4, обеспечивающий дополнительную турбулизацию потока среды. Выполненная на наружной поверхности внутренней трубы канавка образует канал для обнаружения утечки 5 между двумя трубами.
В теплообменном элементе для снижения термического сопротивления зазора между трубами на наружной трубе выполнено обжатие 6 в зоне расположения канавок.
Для увеличения площади теплообмена на наружной трубе накаткой выполнено оребрение 7 (фиг.2)
Теплообменный элемент работает следующим образом. Газ поступает во внутреннюю трубу 1, жидкость (компрессорное масло) циркулирует снаружи наружной трубы, канал для обнаружения утечки 5 заполнен инертным газом, например азотом, полость загерметизирована и при работе контролируется его давление. При прорыве стенки как наружной так и внутренней, утечка будет обнаружена, так как давление в канале для обнаружения утечки 5 значительно повысится, и протечка будет удалена через канал 5 наружу, а далее на свечу или в дренаж.
При изготовлении теплообменного элемента, в отличие от ближайших аналогов, не требуется сложная технология внутренней опрессовки труб, проведение пайки труб, при этом обеспечивается эффект дополнительной турбулизации потока за счет одновременного выдавливания канавки и внутренних выступов.
Настоящая полезная модель является простым в изготовлении теплообменным элементом, безопасным и эффективным в работе, на базе которого могут создаваться эффективные и безопасные теплообменные устройства для различных отраслей промышленности.