ЗМЕЕВИКОВЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК ТИПА "ТРУБА В ТРУБЕ"

Полезная модель представляет собой теплообменный аппарат, который может найти широкое применение в ЖКХ, энергетике и смежных с ними отраслях промышленности.
Известен змеевиковый теплообменник типа «труба в трубе», выполненный в виде сдвоенных усеченных конусов, обращенных друг к другу основаниями (см. пат. на полезн. модель №155676 от 20.10.15 Бюл. №29).
Недостатками такого теплообменника являются большие габариты аппарата, значительная металлоемкость, сложность в обслуживании и ремонте.
Известен змеевиковый теплообменник типа «труба в трубе», выполненный по винтовой спирали и состоящий из двух усеченных конусов, установленных коаксиально один внутри другого, при этом меньшее и большее основания конусов обращены друг к другу (см. пат. на полезн. модель №190475 от 02.07.19 Бюл. №19).
Недостатком этого теплообменника является большое гидравлическое сопротивление проточной части аппарата, сложность в обслуживании и ремонте, не обеспечивается необходимая расчетная и практическая эффективность.
Задачей полезной модели является снижение металлоемкости аппарата, гидравлического сопротивления его проточной части и повышение эффективности процесса теплообмена.
Поставленная задача решается тем, что в змеевиковом теплообменнике типа «труба в трубе», выполненном по винтовой спирали, состоящем из двух усеченных конусов, установленных коаксиально один внутри другого, трубы усеченных конусов свальцованы в змеевиковые овальные теплообменные элементы (овалы, эллипсы или овалы Кассини; вид овальных кривых см. https://sapr.ru/article/24228).
На фиг. 1 представлен вид змеевикового теплообменника с овальными теплообменными элементами; на фиг. 2 - сечение А-А трубного пучка аппарата; на фиг. 3 - вариант фланцевых соединений между трубным и межтрубным пространством змеевикового теплообменника, выполненного из теплообменных элементов, свальцованных в форме овальных элементов; на фиг. 4 - фронтальный разрез аппарата фиг. 1.
Змеевиковый теплообменник состоит из внешнего змеевикового аппарата 1, выполненного из труб в виде усеченных конусов, свальцованных в форме овальных кривых, и внутреннего змеевикового теплообменника 2, установленного коаксиально один внутри другого, выполненного также на конус и свальцованного в форме овальных кривых.
При этом (согласно прототипа) большее основание внутреннего змеевикового теплообменника 2 является продолжением меньшего основания змеевикового теплообменника 1. Кроме того, меньшее основание теплообменника 2 обращено в сторону большего основания теплообменника 1, то есть друг к другу.
Внутри внешней трубы 3, свальцованной в форме овальной кривой, змеевиковых теплообменников 1,2 смонтированы пучки труб 4, каждая труба которого свальцована в форме овальной кривой, образуя трубное пространство 5, а между внутренней стенкой трубы 3 и пучком труб 4 сформировано межтрубное пространство 6.
Внешняя труба 3, свальцованная в форме овальной кривой большего основания внутреннего змеевикового теплообменника, соединена с внешней трубой 3, свальцованной в форме овальной кривой меньшего основания змеевикового теплообменника 1, с помощью калача 7.
Аппарат работает следующим образом.
После подачи холодного теплоносителя в трубное пространство 5 пучка труб 4, свальцованных в форме овальных кривых теплообменников 1, 2, в противоток в межтрубное пространство 6 внешней трубы 3, выполненной также из трубы, свальцованной в форме овальной кривой, подается горячий теплоноситель.
Пройдя проточную часть трубчатого пространства 5 пучка труб 4, холодный теплоноситель нагревается до заданной температуры и через штуцер в качестве нагретого теплоносителя выводится из аппарата.
Горячий теплоноситель (пар), пройдя межтрубное пространство 6 внешней трубы 3 в качестве обработанного горячего теплоносителя (конденсата), также через штуцер выводится из теплообменника типа «труба трубе».
Процесс теплообмена в трубах, свальцованных в форме овальных кривых, согласно эксперименту, в 1,3-15 раза выше, чем в прототипе, и в 2,5 раза выше, чем в гладких прямых трубах.
Интенсивность теплообмена в предлагаемом аппарате обуславливается, в том числе, и геометрией теплообменных труб 4, свальцованных в форме овальных кривых. Так как, расстояние от большой оси эллипса до стенок трубы (в радиальном направлении от малой оси) значительно меньше чем, от центра окружности (в прототипе) центробежная сила, действующая на движущуюся среду в проточной части труб 4, соответственно выше, что вызывает активное перемешивание холодных и горячих слоев теплоносителя в радиальном сечении трубы 4. Кроме того, по мере движения жидкости по овальной орбите большой оси (по ее краям) снижается величина центробежной силы (растет радиус). Вследствие этого вихри, возникающие на малой оси овальной орбиты, перемещаются в область меньшего давления, по краям овальной орбиты, интенсивно перемешиваются с холодной частью теплоносителя, что способствует быстрому нагреву жидкости вдоль всей проточной части змеевикового теплообменника.
Следует отметить, что предлагаемые змеевиковые теплообменники, выполненные с теплообменными элементами в форме овальных кривых, имеют длину проточной части на 10-12% короче круглых змеевиковых теплообменных элементов (в прототипе).
При этом гидравлическое сопротивление каждой из труб 4, согласно закону Дарси, по сравнению с круглыми трубами прототипа, также снижается, что является важным обстоятельством при создании и проектировании аппаратов с низкой металлоемкостью и обладающих эффектом, опережающим эффективность теплообмена по сравнению с гидравлическим сопротивлением. Это отвечает современным требованиям энергосбережения при разработке и эксплуатации вновь создаваемого теплообменного оборудования.