ТЕПЛООБМЕННАЯ ТРУБА

Полезная модель относится к области теплотехники и предназначено для использования в теплообменных аппаратах разной конструкции.
Наиболее распространенными теплообменными аппаратами являются кожухотрубные теплообменники. Их применяют для теплообмена и термохимических процессов между разными жидкостями, парами и газами - как без изменения, так и с изменением их агрегатного состояния. В некоторых конструкциях таких теплообменников при протекании жидкости в межтрубном пространстве и жидкости в трубах для повышения коэффициента теплоотдачи применяют трубы с ребрами.
Теплообменники часто работают с загрязненными жидкостями при высоких температурах и давлениях, поэтому их необходимо конструировать так, чтобы обеспечить легкость ремонта и очистки.
Известна теплообменная труба (патент РФ №2177133, МПК F28F 1/36 опубл. 20.12.2001), содержащая внешние поперечные ребра, на которых выполнены выступы и впадины в форме волн, размещенных в плоскости ребра концентрично относительно трубы, поперечные ребра выполнены по спирали, причем ребра, размещенные рядом имеют выступы и впадины, образовывая волны разной глубины и ширины, при этом волны несимметричны относительно плоскости ребра.
Данное конструктивное выполнение волн только по периферии ребра в диаметрально противоположных секторах снижает удельную площадь рассеяния, которое приводит к снижению теплообмена.
Вышеописанное расположение волн на ребрах не обеспечивает необходимую турбулизацию потока, что снижает процесс теплообмена. Кроме того, сложность ремонта и очистки межреберного пространства представляет проблему, потому что выступы на соседних ребрах совпадают.
Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату является теплообменная труба (Патент Украины №42625, МПК C02F 3/00, F16L 9/12, опубл. 15.10.2001), содержащая полый герметичный цилиндр с коаксиальными внешней и внутренней поверхностями, по внешней поверхности которого равномерно расположены продольные параллельные ребра, которые выполнены из того же материала, что и цилиндр, или из более плотного материала, чем цилиндр. Высота ребер над стенкой трубы составляет от 0,5 до 1 толщины стенки трубы, а ширина ребер у их основания составляет от 0,5 до 2 высоты ребер.
Конструктивное выполнение известной трубы обеспечивает легкость ремонта и очистки межреберного пространства.
Однако коэффициенты теплоотдачи на поверхности межтрубного пространства известной конструкции невысокие, что снижает коэффициент теплопередачи в устройстве. Расположение на внешней поверхности полого цилиндра продольных ребер параллельно друг другу снижает удельную площадь рассеяния, что приводит к снижению теплообмена. К тому же известное конструктивное выполнение ребер не обеспечивает необходимую турбулизацию потока, что так же снижает процесс теплообмена
Технической задачей предлагаемой полезной модели является усовершенствование конструкции теплообменной трубы путем увеличения удельной площади рассеяния и коэффициента теплопередачи, обеспечивающих интенсификацию теплообмена.
Поставленная задача решается тем, что в теплообменной трубе, содержащей полый герметичный цилиндр с коаксиальными внешней и внутренней поверхностями, по внешней поверхности которого равномерно расположены ребра, выполненные из того же материала, что и цилиндр, согласно полезной модели, ребра выполнены навитыми по внешней поверхности по спирали синусоидной конфигурации, при этом ребра в поперечном сечении выполнены трапециевидной формы с округленными углами при основании.
Высота ребер над внешней поверхностью трубы составляет от 0,1 до 0,5 толщины стенки трубы, а ширина ребер при вершине составляет от 0,5 до 2,5 высоты ребер.
Оребрение выполнено с левосторонним направлением спирали и углом навивки равным 25°.
Эта конструкция позволяет значительно увеличить прочностные характеристики. Увеличивается упругость тешюобменной трубы, устраняется возможность прогибания ее относительно горизонтальной плоскости, сохраняется прямолинейность трубы, которая важна при использовании трубы в кожухотрубных теплообменниках.
Ребра находятся снаружи цилиндра трубы, материал ребер при температуре всегда сохраняет упругие свойства, ребра не размягчаются, не растягиваются, не сжимаются. Ребра работают подобно прутьям арматуры, которые зажаты по внешнему периметру цилиндра трубы и не позволяют ему прогибаться.
Наличие спиральных навитых ребер на внешней поверхности трубы позволяет увеличить длину пролета трубы между опорными плитами теплообменника от 1 м до 3 м или длину консоли трубы от опоры от 0,5 м до 1,5 м, что уменьшает количество опор и, соответственно, количество элементов креплений трубы при их использовании.
То, что ребра выполнены трапециевидной формы в поперечном сечении с округленными углами в основании трапеции при высоте ребер в предлагаемых пределах обеспечивает минимально необходимую площадь охлаждения каждого ребра трубы для поддержки необходимой им
упругости, а при ширине ребер в предлагаемых пределах достигается увеличение удельной площади рассеяния и коэффициента теплопередачи, которые обеспечивают интенсификацию теплообмена.
Выполнением тешюобменной трубы 4-хреберными, достигается в статическом состоянии намного меньший прогиб благодаря ребрам жесткости.
Кроме этого, спиральная навивка позволяет обеспечить минимальный коэффициент столкновенья расположенных рядом труб. В динамично нагруженном состоянии, когда внутри труб происходит турбулентное перемещение жидкости с высокой температурой и скоростью, 4-хреберные трубы обеспечивают необходимую вибрационную стойкость конструкции теплообменника.
Благодаря тому, что высота ребер над стенкой трубы h составляет от 0,1 до 0,5 толщины стенки трубы S, а ширина ребер b при вершине составляет от 0,5 до 2,5 высоты ребер h, а также угол навивки ребер α=25° обеспечивает то, что турбулентность, которая образовалась в углублениях ребер, становится отделяемой от сторон ребер и воспринимается закрученным потоком. Энергия закручивания, которое вводится ребрами, ускоряет частички газа и приводит к более высокой общей скорости. Это приводит к снижению температуры металла трубы и также делает последнюю более однородной, также делая температуру по поперечному сечению трубы более однородной.
Сущность технического решения объясняется следующими изображениями.
Фигура 1 - чертеж теплообменной трубы, вид сбоку.
Фигура 2 - чертеж поперечного сечения A-A на фиг. 1.
Фигура 3 - чертеж узла B на фиг. 2.
Фигура 4 - фото общего вида теплообменной трубы.
Теплообменная труба содержит (фиг. 1) полый герметичный цилиндр 1 с коаксиальными внешней и внутренней поверхностями Труба
выполнена из коррозиестойкого материала - сплав на основе титана. Пространство полого цилиндра 1 трубы между внешней и внутренней поверхностями образует кольцевую стенку трубы с кольцевым поперечным сечением. Внешняя поверхность полого цилиндра 1 содержит продольные ребра 2 из того же материала, что и цилиндр 1 трубы.
Спиральные ребра 2 выступают на внешней поверхности полого цилиндра 1 и прокатаны заодно с полым цилиндром 1 трубы по технологии холодной деформации. Ребра 2 имеют трапециевидную форму (см. фиг. 2 и фиг. 3) с поперечным сечением каждого ребра 2 в виде трапеции с округленными углами при основании трапеции.
Величина угла трапеции β=30° Радиус округления сечения ребра 2 при основании R=0,3 мм, а радиус округления сечения ребра 2 при вершине трапеции r=0,2 мм.
Предлагаемая тешюобменная труба работает следующим образом. Кожухотрубные теплообменники состоят из пучков выше указанных труб, укрепленных в трубных досках, кожухах, крышках, камер, патрубков и опор. Трубы, закрепленные в трубных досках, устанавливают в теплообменнике на опорах с расстоянием между опорами от двух до трех метров. Заполняют теплообменник водой. После подачи воды в трубу в последней возникает из-за подъемной силы между сопротивлениями гогибающий момент. Внутри трубы происходит турбулентное перемещение жидкости с высокой температурой и скоростью. Труба при этом не прогибается относительно горизонтали, поскольку ребра 2 охлаждаются и температура ребер 2 поддерживается в стабильном режиме.
В рабочем температурном режиме материал ребер сохраняет достаточную упругость и не размягчается, а поскольку ребра 2 жестко соединены с цилиндром 1 трубы, то цилиндр становится зажатым между ребрами 2, и труба обладает повышенной упругостью на расстоянии между опорами до 3 м.
Предложенная конструкция теплообменной трубы может быть изготовлена в условиях промышленного производства на металлургических предприятиях из трубной заготовки, обточенной и расточенной после горячего передела и кале бровки на станах ХПТР. Трубу изготовляют бесшовной путем холодной деформацией из сплава ПТ-7М.