ТЕПЛООБМЕННИК "ТРУБА В ТРУБЕ"

Предполагаемое техническое решение относится к теплообменным аппаратам и может найти применение в химической, нефтехимической, энергетической, фармакологической, пищевой и других отраслях промышленности, а также экологических процессах утилизации тепла дымовых газов.
Известен однопоточный разборный теплообменник, состоящий из внутренних (теплообменных) труб, внешней (кожуховой) трубы, опоры, решеток внутренних и внешних труб, распределительных камер и поворотной камеры, герметичность которых при соединении внутренних труб и внешних труб с распределительными и поворотной камерами обеспечивается фланцами с крепежными элементами (ТУ 3612-014-00220302-99. Теплообменники труба в трубе. Технические условия; ввод. 01.10.99. - Москва: ОАО «ВНИИнефтемаш», 1999).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится отсутствие теплопередачи в распределительной камере на входе внутренних трубок. Из-за отсутствия в ней внешних труб приводит к низкой теплопередаче в межтрубном пространстве распределительной камеры и поворотной камеры внешней трубы, так как они обеспечивают большое сечение, в котором движется теплоноситель, и, следовательно, малую скорость. Это снижает интенсивность теплопередачи и производительность теплообменника.
Известна конструкция двухтрубного теплообменника, состоящего из нескольких последовательно соединенных трубчатых элементов, образованных двумя концентрически расположенными трубами, при этом один теплоноситель движется по внутренним трубам, другой по кольцевому зазору между внутренними и наружными трубами. Внутренние трубы соединяются калачами, а наружные - патрубками (Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии: учеб. для вузов. - 14-е изд., стереотипное. - М.: ООО ИД «Альянс», 2008 - С. 331).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится отсутствие теплопередачи через теплопередающую поверхность калачей, соединяющих внутренние трубы между собой, что снижает производительность известной конструкции теплообменника «труба в трубе».
Известна конструкция теплообменного элемента типа «труба в трубе», содержащий внутреннюю прямолинейную, а также промежуточную и наружную гофрированные трубы, во впадинах гофр которых размещены спиральные элементы, с целью повышения эксплуатационной надежности, торцы промежуточной и наружной труб снабжены днищами, установленными с зазором относительно друг друга, причем внутренняя труба снабжена спиральными ребрами, контактирующими с вершинами гофр промежуточной трубы, а спиральный элемент, размешенный во впадинах последней, установлен в контакте с вершинами гофр наружной трубы (авторское свидетельство СССР №1792158 А1, 1984).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится сложность изготовления конструкции и ее ремонт, что приводит к снижению производительности известной конструкции теплообменного элемента.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявленному объекту и принятому за прототип относится, теплообменник типа «труба в трубе», состоящий из нескольких последовательно соединенных трубчатых элементов, образованных двумя концентрически расположенными наружными и внутренними трубами и калачей, соединяющих внутренние трубы, причем свободные концы каждой внутренней трубы и калача выполнены с резьбой и соединены между собой муфтой с равномерно расположенными на ее боковой поверхности центрирующими упругими пластинками, а каждый калач установлен внутри двух частей колена, соединенных с наружными трубами посредством неразъемных фланцев, при этом диаметры этих частей подчиняются соотношению:
1
D/d=1,15÷1,25,
1
где D - внутренний диаметр одной части колена, м;
D - внутренний диаметр другой части колена, м,
причем часть колена с меньшим диаметром снабжена на торце, смежном с частью колена большего диаметра (патент РФ на полезную модель №166583 F28D 7/10, 2016).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, является увеличение площади сечения, в котором движется теплоноситель в части колена с большим диаметром D, что снижает скорость этого теплоносителя и теплопередачу, а значит и производительность теплообменника.
Техническим результатом является увеличение производительности.
1
Поставленный технический результат достигается тем, что в теплообменнике «труба в трубе», состоящем из нескольких последовательно соединенных трубчатых элементов, образованных двумя концентрически расположенными наружными и внутренними трубами, и калачей, соединяющих внутренние трубы, при этом свободные концы каждой внутренней трубы и калача выполнены с резьбой и соединены между собой муфтой с равномерно расположенными на ее боковой поверхности центрирующими упругими пластинами, а каждый калач установлен внутри колена, отличающийся тем, что колено выполнено в виде гофрированной трубы из упругого материала, гофры которой образуют винтовую линию, а внутренний диаметр гофр D и наружный диаметр калача d подчиняются соотношению:
1
D/d=1,15÷1,25,
1
1
где D - внутренний диаметр гофр D, м;
d - наружный диаметр калача d, м.
Выполнение каждого колена в виде гофрированной трубы из упругого материала (например, резины или полимера), позволяет внутри каждого колена монтировать калач, а при соединении свободных концов калачей со свободными концами внутренних труб муфтами, деформируя упругие гофры, сжимать их, освобождая участок соединения концов калачей с концами внутренних труб, что уменьшает время сборки и разборки теплообменника и увеличивает производительность.
Выполнение гофр каждого колена с образованием винтовой линии позволяет после герметичного соединения концов таких колен с помощью фланцев с фланцами концов наружных труб, предотвращает закупоривание проходного сечения, образованного гофрами колена и наружный поверхности калача при прилегании внутренней поверхности гофр к наружной поверхности калача, так как даже в этом случае теплоноситель, движущийся между внутренней поверхностью гофр и наружной поверхностью калача, сохраняет свободным проходное сечение, образованное винтовой поверхностью гофр, что сохраняет поверхность теплопередачи колена в полном виде и способствует сохранению высокой производительности теплообменника.
1
Кроме того, выполнение соотношения связывающего внутренний диаметр гофр D и наружный диаметр калача d также способствует предотвращению при изгибе гофр контакту с наружной поверхностью калача, что поддерживает сечение между внутренней поверхностью гофр и наружной поверхностью калача в работоспособном состоянии без образования пробки, а значит сохраняет работоспособность теплообменника с высокой производительностью.
Увеличение этого соотношения (1) против верхней границы приводит к слишком большому сечению между наружной поверхностью калача и внутренней поверхностью гофр, что снижает скорость движения теплоносителя и приводит к уменьшению теплопередачи, а значит и производительности.
Уменьшение нижней границы соотношения (1) приводит к касанию внутренней поверхности гофр к внешней поверхности калача, что снижает проходное сечение, приводит к росту давления и возможностям потери герметичности, что потребует остановки на ремонт, уменьшению времени основной работы и снижению производительности.
На чертеже представлена схема в разрезе предлагаемой конструкции теплообменника «труба в трубе».
Он состоит из наружной трубы 1 с внутренним диаметром D и внутренней трубы 2 с наружным диаметром d, соосно установленной внутри наружной трубы 1. Наружная труба 1 имеет патрубок 3 для ввода одного теплоносителя в межтрубное пространство. На концах наружной трубы 1 установлены неразъемные фланцы 4 и 5. У патрубка входа 6 второго теплоносителя во внутреннюю трубу 2 установлен неразъемный фланец 7 для болтового соединения с фланцем 4 наружной трубы 1. Верхняя и нижняя внутренние трубы 2 имеют на свободных концах резьбу 8 для герметичного соединения концов внутренних труб 2 с концами калача 9 с помощью резьбовых соединений 8 и 10 муфты 11. На боковых стенках муфты 11 равномерно по окружности прикреплены упругие цилиндрические пластины 12, предупреждающие консольные провисания внутренних труб 2 и смещение их относительно общей оси с наружными трубами 1.
Для подачи теплоносителя из межтрубного пространства наружной трубы 1 и внутренней трубы 2 верхней секции в нижнюю устанавливают колено 13, выполненное в виде гофрированной трубы из упругого материала, при этом гофры 14 образуют винтовую линию, а размеры внутреннего диаметра гофр 14 в колене 13 и наружного диаметра калача 9 подчиняются соотношению (1).
На концах колена 13 прикреплены неразъемные фланцы 15 для соединения и герметизации наружной трубы 1 и ее фланцев 5 с помощью болтового соединения 16.
Сборка предлагаемой конструкции теплообменника типа «труба в трубе» осуществляется следующим образом.
Наружную трубу 1 одевают на внутреннюю трубу 2, продвигая ее слева направо до упора с неразъемным фланцем 4, на который предварительно установлена прокладка и герметизируют фланцы 4 и 7 с помощью болтового соединения. Навинчивают на резьбу 8 внутренней трубы 2 муфту 11, центруя ее с помощью упругих центрирующих стержней 12 осесимметрично с наружной трубой 1. Надевают колено 13 на калач 9, сжимают гофры 14 в верхней части, освобождая рабочее пространство для свинчивания с помощью муфты 11 по резьбе 8 конец верхней трубы 2 с верхним концом калача 9. Отпускают гофры 14 и герметично соединяют верхний фланец 5 наружной трубы 1 с фланцем 15 колена 13 болтовым соединением 16. Сжимают гофры 14 нижней части колена 13, освобождая рабочее пространство для свинчивания и герметизации с помощью муфты 11 нижнего конца с резьбой 8 внутренней трубы 2 и конца с резьбой 10 колена 13. Отпускают сжатые гофры 14 нижней части колена 13 и герметично соединяют нижний фланец 5 наружной трубы 1 с фланцем 15 колена 13 болтовым соединением 16.
Разборку с отделением верхней секции от нижней можно производить в обратном порядке. Отвинчивают гайки болтового соединения 16 нижней секции, сжимают гофры 14 колена 13, освобождая рабочее пространство для отвинчивания муфты 11 с резьбой 8 калача 9. Отпускают гофры 14 колена 13, отвинчивают гайки болтового соединения 16 верхней секции, сжимают гофры 14 колена 13 этой секции, освобождая рабочее пространство для отвинчивания муфты 11 с резьбой 8 калача 9. Снимают колено 13 с калачом 9 и вынимают калач 9 из колена 13. Далее отвинчивают болты соединяющие фланцы 4 и 7 и снимают наружную трубу 1, продвигая ее слева направо вдоль внутренней трубы 2.
Предлагаемая конструкция теплообменника «труба в трубе» проста в сборке и разборке, причем собирать и разбирать можно любые секции по отдельности, не затрагивая звенья других секций, что позволяет производить индивидуальный ремонт и замену любых линейных участков наружной 1 и внутренней 2 труб, их калачей 9 и колен 13, герметизацию резьбовых соединений 8 и 10 муфтой 11 и всех фланцевых соединений 4 и 7, 5 и 15, которых меньше чем в конструкции, принятой за прототип.
Таким образом, предлагаемая конструкция теплообменника типа «труба в трубе» проще по конструкции, что уменьшает время сборки и разборки при ремонте, монтаже и демонтаже по сравнению с прототипом, увеличивает рабочее время теплопередачи и способствует возрастанию производительности в целом.