УСТРОЙСТВО ТЕПЛООБМЕННОЙ ТРУБЫ С ВНУТРЕННИМ ОРЕБРЕНИЕМ
ARRANGEMENT OF HEAT EXCHANGE PIPE WITH INTERNAL FINNING

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано при производстве оребренных труб, холодильных аппаратов или контейнеров, предназначенных для хранения отработавшего топлива ядерных реакторов, а также других материалов или объектов, где требуется обеспечение эффективной передачи тепла.
Известно устройство с оребренной поверхностью, изготовленное способом (патент РФ №2141615, приоритет 14.04.98 г., МПК F28F 3/02, опубликован 20.11.99 г. БИ №32), в котором готовое изделие получено укладкой дисков оребрения в кондуктор с последующим введением при нагреве во внутренние отверстия дисков оребрения предварительно охлажденной в среде жидкого азота трубы с последующим изъятием оребренной поверхности из кондуктора.
При нагреве трубы теплом окружающей среды происходит ее тепловое расширение, в результате чего обеспечивается необходимый контакт между трубой и ребрами.
Недостатками данного устройства являются:
- существенные технологические трудности, возникающие при охлаждении жидким азотом крупногабаритных труб (диаметром порядка 1…3 м и длиной 2…4 м);
- невозможность изготовления трубы с продольными ребрами.
Известно в качестве прототипа устройство теплообменной трубы с внутренним оребрением (патент РФ №2190138, приоритет от 10.08.2000 г., МПК F28F 1/40, опубликован 27.09.2002 БИ №27), в котором внутрь трубчатой заготовки введены сердечник и ребра. Предварительно на внутренней поверхности заготовки и внешней поверхности заранее выполненного полым сердечника выполняют продольные пазы, а ребра, выполненные отдельно от сердечника, изготовлены изогнутыми. Затем сердечник фиксируют, а трубчатую заготовку ориентируют относительно сердечника так, чтобы их продольные пазы были установлены относительно друг друга со смещением на угол α. Далее вводят ребра в пазы заготовки и сердечника, поворачивают заготовку до полной выборки угла α, при этом угол α определяют из условия:
,
1
где R - наружный радиус сердечника,
1
r - радиус паза на наружной поверхности сердечника,
2
R - внутренний радиус заготовки,
2
r - радиус паза на внутренней поверхности заготовки,
L - расстояние в поперечном сечении между крайними точками ребра, соприкасающимися с сердечником и заготовкой,
после чего заготовку фиксируют относительно сердечника, а первоначальную фиксацию сердечника снимают. В результате выполнения перечисленных операций создается упругая деформация ребер, обеспечивающая необходимый для передачи тепла контакт между сердечником, ребрами и трубчатой заготовкой.
Недостатком известного изобретения являются большие трудозатраты, необходимые для придания ребрам изогнутой формы, а также отсутствие возможности изоляции сердечника от трубчатой заготовки в условиях аварийных термических воздействий.
Задачей авторов изобретения является разработка устройства теплообменной трубы, обеспечивающего высокую экономичность при осуществлении процесса изготовления устройства, а также повышение безопасности его использования в условиях аварийных термических воздействий.
Указанное устройство теплообменной трубы с внутренним оребрением выбрано в качестве прототипа.
Новый технический результат, достигаемый при использовании предлагаемого устройства, заключается в обеспечении более высокой экономичности при осуществлении процесса сборки устройства, повышение безопасности его использования в условиях аварийных термических воздействий при одновременном сохранении упругих деформаций в ребрах, способствующих созданию необходимой тепловой проводимости между контактирующими деталями.
Дополнительные технические результаты заключаются также в повышении безопасности устройства за счет сохранения работоспособности тепловой трубы в условиях повышенных температур или пожара, в снижении трудоемкости изготовления устройства.
Указанные задача и новый технический результат достигаются тем, что в конструкции теплообменной трубы, включающей трубчатую заготовку, на внутренней поверхности которой выполнены продольные пазы, полый сердечник, на наружной поверхности которого выполнены продольные пазы, ребра, вставленные в пазы с одной стороны трубчатой заготовки, а с другой стороны - в пазы сердечника, трубчатая заготовка ориентирована относительно сердечника таким образом, что их продольные пазы смещены относительно друг друга на заданный угол α, согласно изобретению ребра выполнены в виде плоских деталей, каждое ребро выполнено составным из двух прямолинейных элементов, один из которых выполнен с заостренным продольным краевым участком в зоне сопряжения со вторым элементом, выполненным с ответной частью клиновидной формы.
Кроме того, в предлагаемой конструкции теплообменной трубы в пазах трубчатой заготовки и сердечника размещены легкоплавкие вставки.
Кроме того, в конструкции теплообменной трубы элемент ребра с ответной частью клиновидной формы выполнен составным из двух симметричных продольных частей.
Кроме того, в конструкции теплообменной трубы угол заострения продольного краевого участка элемента ребра меньше угла раскрытия паза клиновидной формы второго элемента ребра.
Выборка зазоров между сопрягаемыми деталями и создание в ребрах упругих деформаций, обеспечиваемых за счет выполнения ребер составными из двух прямолинейных элементов, один из которых выполнен с заостренным продольным краевым участком в зоне сопряжения со вторым элементом, выполненным с ответной частью клиновидной формы, позволяет создать необходимую тепловую проводимость, обеспечивающую эффективный теплообмен между сердечником и заготовкой, и снизить затраты при осуществлении процесса изготовления устройства. При этом угол заострения клина больше угла раскрытия ответной детали.
Выполнение элемента ребра с ответной частью клиновидной формы составным из двух симметричных продольных частей позволяет снизить затраты при осуществлении процесса изготовления устройства.
Размещение в пазах трубчатой заготовки легкоплавких вставок позволяет обеспечить безопасность использования устройства в условиях аварийных термических воздействий или пожара.
Наличие отличительных признаков от прототипа говорит о соответствии предлагаемого решения критерию изобретения «новизна».
Заявляемое устройство соответствует и критерию «изобретательский уровень», так как не выявлено источников известности, где был бы описан технический результат, достигаемый предложенной совокупностью признаков.
На фиг.1 изображен вид теплообменной трубы на первом этапе сборки, где:
1 - сердечник полый,
2 - ребро,
3 - трубчатая заготовка,
4 - продольный паз на внешней поверхности сердечника,
5 - продольный паз на внутренней поверхности заготовки,
6 - зазор между сердечником и ребром,
7 - зазор между заготовкой и ребром,
8, 9 - крайние точки ребра в поперечном сечении, соприкасающиеся с сердечником и заготовкой,
10 - элемент ребра с заостренным продольным краевым участком,
11 - элемент ребра с пазом клиновидной формы,
12 - легкоплавкие вставки,
13, 14 - продольная часть элемента ребра с пазом клиновидной формы,
α - угол смещения трубчатой заготовки относительно сердечника.
На фиг.2 изображена теплообменная труба после сборки.
Теплообменную трубу с внутренним оребрением изготавливают из трубчатой заготовки 3, сердечника 1 и ребер 2. При этом расстояние в поперечном сечении между крайними точками ребра, соприкасающимися с сердечником и заготовкой, выбирают из условия:
2
1
1
2
R1
R2
r1
r2
L
П
Н
L=(R-R+r+r+Δ+Δ+Δ+Δ+Δ+Δ)K,
R1
R2
r1
r2
L
1
2
1
2
где Δ, Δ, Δ, Δ, Δ - модули значений предельных отклонений размеров R, R, r, r, L, соответственно,
П
Δ - модуль значения предельного отклонения взаимного расположения сердечника и заготовки,
Н
Н
K - коэффициент, учитывающий создание предварительного напряженного состояния ребер в процессе сборки (K≥1).
Процесс изготовления теплообменной трубы выполняют в следующей последовательности.
1
Предварительно устанавливают трубчатую заготовку 3. Затем вводят внутрь заготовки 3 сердечник 1, который фиксируют в этом положении. Далее ориентируют трубчатую заготовку 3 относительно сердечника 1 так, чтобы их продольные пазы 4 и 5 находились относительно друг друга со смещением на угол α. Затем вводят в пазы ребра 2, состоящие (каждый) из элементов 10, имеющих заостренный продольный краевой участок, и элементов 11 с продольными частями 13, 14, имеющих паз клиновидной формы. После этого поворачивают заготовку 3 до полной выборки угла α, фиксируют заготовку 3 относительно сердечника 1, а первоначальную фиксацию сердечника снимают. При повороте заготовки 3 исчезают зазоры 6 и 7 между ребрами 2, сердечником 1 и заготовкой 3 и происходит упругая деформация ребер, обеспечивающая необходимый контакт и тепловую проводимость между сопрягаемыми деталями.
В качестве подтверждения промышленной применимости рассмотрим пример теплообменной трубы с внутренним оребрением.
Материал сердечника 1 и трубчатой заготовки 3 - сталь 12ХН10Т.
Материал ребер 2 - алюминиевый сплав - АЛ-19.
Значения размеров деталей и модулей предельных отклонений:
1
- R=1150 мм,
2
- R=1300 мм,
1
2
- r=r=5 мм,
1
- ΔR=2,5 мм,
2
- ΔR=2,5 мм,
1
2
- Δr=Δr=0,16 мм,
L
- Δ=0,6 мм,
П
- Δ=2,5 мм.
Н
Коэффициент, учитывающий гарантированную упругую деформацию ребер после сборки, был принят равным K=1,01.
Расстояние в поперечном сечении между крайними точками ребра, соприкасающимися с сердечником и заготовкой, было равно:
L=(1300-1150+5+5+2,5+2,5+0,16+0,16+0,6+2,5)·1,1=176,8 мм.
Вычисленное значение угла между пазами сердечника и заготовки составило α=3,53.
В конструкции трубы с внутренним оребрением было использовано 74 ребер толщиной 5 мм, установленных с шагом 50 мм. Ребра были выполнены составными из двух прямолинейных элементов 10 и 11 (с продольными частями 13 и 14), один из которых (10) изготовлен с заостренным продольным краевым участком в зоне сопряжения со вторым элементом. Угол заострения составлял 5°. Ответная часть второго элемента (11) ребра имела паз клиновидной формы с углом раскрытия клина (паза) 4,5°.
Длина всей конструкции составляла 2,4 м.
5
Момент, необходимый для поворота трубчатой заготовки, составил ~5,7·10 Н·м на 1 м длины оребренной трубы.
Выполнение описанных выше элементов и операций по их сборке позволило создать эффективную тепловую проводимость между сердечником и трубчатой заготовкой. При этом существенно упростилась технология, что привело к снижению трудоемкости и затрат по изготовлению теплообменной трубы с внутренним оребрением.