ТЕПЛООБМЕННЫЙ АППАРАТ ПОГРУЖНОГО ТИПА

Предлагаемое техническое решение относится к теплообменным аппаратам с трубчатыми змеевиками, находящимися в кожухе с охлаждающей или нагревающей водой, и может найти применение в химической, нефтехимической, металлургической, энергетической, машиностроительной, атомной и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах энерго- и ресурсосбережения при утилизации тепла сточных вод и дымовых газов.
Известны погружные теплообменники, содержащие спиральный змеевик, установленный в корпусе с помощью специальных креплений. Спиральный змеевик имеет патрубки для входа и выхода одного теплоносителя, а корпус патрубки для входа и выхода второго теплоносителя, например, нагреваемой или охлаждаемой воды (Касаткин, А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии: учеб. для хим-технолог. спец. вузов / А.Г.Касаткин. - 8-е изд., перераб. - М.: Химия, 1971. - С.349-350; Шаповалов Ю.Н., Шеин В.С. Машины и аппараты общехимического назначения: Уч. пособие. - Воронеж: Изд-во ВГУ, 1981. - С.106).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится заиливание и обрастание наружной теплопередающей поверхности труб продуктами жизнедеятельности микроорганизмов, что увеличивает термическое сопротивление и снижает интенсивность теплопереноса через наружную поверхность труб.
Известен кожухотрубный аппарат погружного типа, содержащий кожух и размещенный внутри него трубчатый змеевик, снабженный подводящими и отводящими патрубками соответственно для межтрубной и трубной сред (авт.св. СССР №1384905, F28D 7/02, 1988).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится снижение интенсивности теплопереноса через наружную теплопередающую поверхность труб из-за заиливания или обрастания этой поверхности продуктами жизнедеятельности микроорганизмов, что приводит к повышению их термического сопротивления.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявляемому объекту и принятому за прототип является теплообменный аппарат погружного типа, содержащий кожух, выполненный из трех разъемных секций, и размещенный внутри него трубчатый змеевик, снабженный подводящими и отводящими патрубками соответственно для межтрубной и трубной сред, при этом змеевик выполнен в виде прямых горизонтально расположенных труб, соседние концы которых соединены между собой с помощью U-образных отводов, расположенных в концевых съемных секциях кожуха, а в средней секции кожуха зафиксирован трубчатый змеевик (описание изобретения к патенту РФ №2258879, F28D 7/02, 2005).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится невысокая интенсивность теплопереноса через наружную поверхность труб и U-образных отводов из-за повышенного термического сопротивления этой поверхности, связанного с ее заиливанием и обрастанием продуктами жизнедеятельности микроорганизмов.
Техническим результатом предлагаемой конструкции теплообменного аппарата погружного типа является повышение интенсивности теплопереноса через наружную теплопередающую поверхность труб и U-образных отводов за счет подавления жизнедеятельности микроорганизмов и предупреждения заиливания и обрастания продуктами жизнедеятельности микроорганизмов этой теплопередающей поверхности.
Поставленный технический результат достигается тем, что в теплообменном аппарате погружного типа, содержащем кожух, выполненный из трех разъемных секций, и размещенный внутри него трубчатый змеевик, снабженный подводящими и отводящими патрубками соответственно для межтрубной и трубной сред, змеевик выполнен в виде прямых горизонтально расположенных труб, соседние концы которых соединены между собой с помощью U-образных отводов, расположенных в концевых съемных секциях кожуха, а в средней секции кожуха зафиксирован трубчатый змеевик, при этом на трубах и U-образных отводах равномерно по их длине установлены кольца со сквозной поперечной прорезью, выполненные из упругого диэлектрического материала и имеющие на наружной боковой поверхности кольцевую канавку, на которую поперек труб и U-образных отводов навит электрический провод, один конец которого присоединен к положительному полюсу источника постоянного тока, а второй электроизолирован, и сам кожух заземлен, причем отношение диаметра кольца к диаметру труб и U-образных отводов составляет
где d - внутренний диаметр кольца,
D - внешний диаметр труб и U-образных отводов.
Равномерная установка на трубах и U-образных отводах колец со сквозной поперечной прорезью позволяет использовать их в качестве опорных элементов для электропровода, а кольцевая канавка позволяет зафиксировать этот провод на боковой цилиндрической поверхности колец без его соскальзывания и замыкания на поверхность труб и U-образных отводов. Сквозная поперечная прорезь в кольцах упрощает их установку на трубах и U-образных отводах. Выполнение колец из упругого диэлектрического материала, например резины или полимера, позволяет кольцам восстанавливать первоначальную форму после их монтажа на трубы и U-образные отводы и плотно охватывать их наружную поверхность в местах установки. Этот эффект усиливается за счет выполнения внутреннего диаметра кольца несколько меньше наружного диаметра труб и U-образных отводов.
Уменьшение внутреннего диаметра кольца по отношению к наружному диаметру труб ниже указанного в условии (1)  приводит к деформации кольца, высоким напряжениям в нем и возможной поломке при эксплуатации.
Увеличение внутреннего диаметра кольца по отношению к наружному диаметру труб выше указанного условия (1)  не позволяет жестко закреплять кольцо на поверхности труб и U-образных отводов, что может привести к перемещению кольца вдоль трубы и U-образного отвода и их неравномерной установке по длине труб и U-образных отводов.
Равномерная установка колец на стенках труб и U-образных отводов связана с необходимостью создания одинакового электрического поля между электрическим проводом и наружной поверхностью труб и U-образных отводов, чтобы обеспечить подавление жизнедеятельности микроорганизмов равномерно по всему объему среды (обычно воды), подаваемой в кожух. В противном случае в местах, где расстояние между витками электропровода будет больше, колонии микроорганизмов закрепляются на станках труб и U-образных отводов, их термическое сопротивление растет, а интенсивность теплопередачи падает.
Присоединение одного конца электрического провода к положительному полюсу источника постоянного тока и электроизоляция другого конца, а также заземление кожуха позволяет пропускать электрический ток через среду в кожухе, который подавляет жизнедеятельность микроорганизмов и предотвращает заиливание или обрастание наружной поверхности труб и U-образных отводов, а значит увеличить интенсивность процесса теплопредачи через эти поверхности.
Таким образом, равномерная установка на трубах и U-образных отводах колец со сквозной поперечной прорезью, выполненных из упругого диэлектрического материала и имеющих на наружной боковой поверхности кольцевую канавку, а также выполнение размеров внутреннего диаметра кольца и внешнего диаметра труб и U-образных отводов в соответствии с условием (1), поперечная навивка электрического провода и присоединение одного конца этого провода к положительному полюсу источника постоянного тока, электроизоляция второго и заземление кожуха позволяют создать одинаковое электрическое поле и ток в объеме среды, находящейся в кожухе. Электрическое поле и ток подавляет жизнедеятельность микроорганизмов и предотвращает заиливание или обрастание продуктами жизнедеятельности этих микроорганизмов теплопередающих поверхностей труб и U-образных отводов, что снижает термическое сопротивление последних и приводит к росту интенсивности теплопереноса в кожухотрубном аппарате погружного типа.
На фиг.1 представлен общий вид теплообменного аппарата погружного типа; на фиг.2 - поперечный разрез А-А; на фиг.3 - аксонометрический вид кольца со сквозной поперечной прорезью.
Теплообменный аппарат содержит кожух, состоящий из центральной секции 1 и двух съемных боковых секций 2 и 3. В средней секции 1 кожуха зафиксирован змеевик и расположены подводящий 4 и отводящий 5 патрубки для трубной среды. Змеевик выполнен в виде прямых горизонтально расположенных труб 6, соседние концы которых соединены между собой с помощью U-образных отводов 7. Эти отводы 7 расположены в съемных боковых секциях 2 и 3. Подводящий 8 и отводящий 9 патрубки для межтрубной среды также расположены соответственно в съемных боковых секциях 2 и 3. Кожух центральной секции установлен на опоре 10. На трубы 6 и U-образные отводы 7 равномерно по их длине установлены кольца 11, имеющие сквозную поперечную прорезь 12, выполненные из упругого диэлектрического материала и имеющие на наружной боковой поверхности цилиндрическую канавку 13, при этом отношение внутреннего диаметра d кольца 11 и наружного диаметра D труб 6 и U-образных отводов 7 удовлетворяют условию (1). Поперек труб 6 и U-образных отводов 7 на кольцевые канавки 13 колец 11 навит электрический провод 14. Один конец электрического провода 14 через диэлектрическую пробку 15 в боковой секции 2 присоединен к положительному полюсу источника постоянного тока 16, а другой конец закреплен на изоляторе 17 в боковой секции 3. Кожух в боковой секции 2 присоединен к заземлению 18.
Теплообменный аппарат погружного типа работает следующим образом.
От положительного полюса источника постоянного тока 16 на электрический провод 14 подают потенциал того же знака. По патрубку 4 подают трубную среду, которая движется в трубах 6 и U-образных отводах 7 и выводится через патрубок 5. Одновременно в патрубок 8 подают межтрубную среду, например охлаждающую воду, которая омывает теплопередающие наружные поверхности труб 6 и U-образных отводов 7 и выводится наружу по патрубку 9. Так как охлаждающая вода является проводником II рода, то под действием разности потенциалов между электрическим проводом 14 и боковыми поверхностями труб 6 и U-образных отводов 7 протекает электрический ток, который подавляет жизнедеятельность микроорганизмов, находящихся в воде, и предотвращает заиливание или обрастание теплопередающих наружных поверхностей труб 6 и U-образных отводов 7 продуктами жизнедеятельности этих микроорганизмов, что препятствует росту термического сопротивления и увеличивает интенсивность теплопереноса. Кроме того, так как трубы 6 и U-образные отводы 7 вместе с секциями 1, 2 и 3 кожуха соединены с заземлением 18, то они не подвержены электрохимической коррозии, что также не позволяет увеличивать термическое сопротивление теплопередающей поверхности труб 6 и U-образных отводов 7 и снижать интенсивность теплопереноса.
Таким образом, предлагаемая конструкция теплообменного аппарата погружного типа позволяет подавлять жизнедеятельность микроорганизмов электрическим током, препятствует обрастанию теплопередающих наружных поверхностей труб и U-образных отводов продуктами жизнедеятельности микроорганизмов и заиливанию, что снижает термическое сопротивление и увеличивает интенсивность теплопереноса.
Кроме того, теплообменный аппарат погружного типа при использовании допускаемого напряжения U<24 В не опасен в эксплуатации, несложен в изготовлении и реконструкции известных теплообменных аппаратов погружного типа. В последнем случае достаточно на трубах и U-образных отводах равномерно по длине установить кольца 11 и закрепить на них в кольцевых канавках 13 при поперечной навивке электрический провод. При невысоких энергозатратах постоянного тока снимается проблема обрастания и заиливания теплопередающих наружных поверхностей труб и U-образных отводов, что позволяет сохранять невысокое термическое сопротивление и высокую скорость теплопереноса. Одновременно решается и проблема периодической остановки работы для удаления ила и продуктов жизнедеятельности микроорганизмов с теплопередающих поверхностей, что увеличивает срок службы и производительность теплообменного аппарата погружного типа.