ТЕПЛООБМЕННИК ТИПА "ТРУБА В ТРУБЕ"

Полезная модель относится к теплообменным аппаратам, преимущественно - к маслоохладителям компрессоров и других машин.
Известны теплообменники типа ”труба в трубе”, содержащие коаксиально расположенные наружную и оребренную внутреннюю трубы [Скобло А.И., Молоканов Ю.К. и др. Процессы и аппараты нефтегазопереработки и нефтехимии: Учебник для вузов. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: ООО ”Недра-Бизнесцентр”, 2000, с. 574-578]. Для повышения эффективности теплообмена в трубном пространстве внутренней трубы в известных теплообменниках используют методы воздействия на поток устройствами, разрушающими и турбулизирующими движение потока в трубе - различного рода турбулизирующие вставки.
Применение турбулизирующих вставок приводит к усложнению конструкции и снижению надежности известного теплообменника.
Наиболее близким к предложенному теплообменнику является известный теплообменник типа "труба в трубе", выполненный с возможностью разборки и содержащий коаксиально расположенные наружную и внутреннюю трубы, при этом внутренняя труба оснащена продольными ребрами, а в торцах наружной трубы имеются первый и второй фланцы, к которым крепятся соответственно первая и вторая крышки [Там же].
При использовании известного теплообменника по его внутренней трубе прокачивают теплоноситель, например, воду, с заданной (расчетной) скоростью. Известно, что теплоотдача между стенками внутренней трубы и теплоносителем увеличивается с увеличением скорости прокачивания теплоносителя. Предельные скорости теплоносителя ограничивают из условия предотвращения коррозионного износа трубы, с учетом материала труб. Вместе с тем, поскольку увеличение скорости теплоносителя влечет за собой повышение затрат на его перекачку, расчетная скорость обосновывается технико-экономическими расчетами [см., например: Теплообменники энергетических установок. Под общей ред. проф., д.т.н. Ю.М. Бродова. - Екатеринбург: изд. «Сократ», 2003, с. 41].
Известно также, что при ламинарном характере потока в трубном пространстве в процессе теплообмена участвует преимущественно тонкий слой теплоносителя по периферии трубы, в то время как теплоноситель в известном теплообменнике прокачивают по полному сечению внутренней трубы. Тепловая производительность аппарата при неизменной скорости теплоносителя увеличивается с увеличением диаметра внутренней трубы и, соответственно, площади ее стенки. Но в известном теплообменнике увеличение диаметра внутренней трубы влечет за собой увеличение площади ее поперечного сечения и, при неизменной скорости теплоносителя, повышение затрат на его перекачку. И наоборот, уменьшение диаметра внутренней трубы снижает затраты на перекачку теплоносителя, но приводит к уменьшению тепловой производительности аппарата.
Таким образом, в известном теплообменнике, при заданной скорости движения теплоносителя по его внутренней трубе, ограничены возможности увеличения тепловой производительности и уменьшения затрат на перекачку теплоносителя, что снижает экономическую эффективность аппарата.
Предлагаемая полезная модель направлена на повышение экономичности работы и увеличение тепловой производительности.
Технический результат при осуществлении полезной модели заключается в уменьшении затрат энергии на прокачивание теплоносителя и в повышении тепловой производительности аппарата. Технический результат заключается также в упрощении конструкции, уменьшении материалоемкости, повышении эксплуатационной надежности и интенсивности теплопередачи, расширении области применения аппарата.
Указанный результат достигается тем, что в известном теплообменнике типа ”труба в трубе”, выполненном с возможностью разборки и содержащем коаксиально расположенные наружную и внутреннюю трубы, при этом внутренняя труба оснащена продольными ребрами, а в торцах наружной трубы имеются первый и второй фланцы, к которым крепятся соответственно первая и вторая крышки, в полости внутренней трубы дополнительно размещены вытеснитель цилиндрической формы и удерживающие вытеснитель в заданном положении детали, при этом длина вытеснителя меньше длины внутренней трубы.
Вытеснитель цилиндрической формы, размещенный в полости внутренней трубы, обеспечивает уменьшение расхода теплоносителя и уменьшение затрат энергии на прокачивание теплоносителя по внутренней трубе, тем самым - повышение экономичности работы аппарата. Кроме того, установка в теплообменник вытеснителя обеспечивает возможность применения труб большего диаметра, с большей поверхностью теплопередачи, тем самым - повышение тепловой производительности аппарата.
Удерживающие вытеснитель детали обеспечивают заданное положение вытеснителя одновременно в радиальном и осевом направлениях. В совокупности с выполнением вытеснителя по длине меньше длины внутренней трубы, указанные признаки обеспечивают образование в зоне торцов внутренней трубы полостей для теплоносителя на полное сечение этой трубы, что обеспечивает равномерное протекание теплоносителя по кольцевому зазору между указанной трубой и вытеснителем.
В частном случае реализации полезной модели вытеснитель может быть снабжен в области торцов центрирующими деталями, выходящими за габариты вытеснителя в направлении крышек и выполненные с возможностью взаимодействия с соответствующей крышкой при смещении вытеснителя в крайнее положение.
В этом частном случае удерживание вытеснителя в заданном положении в трубе одновременно по двум координатам - в радиальном и осевом направлениях - обеспечивают центрирующие детали, чем достигается упрощение конструкции.
В другом частном случае реализации полезной модели вытеснитель может быть выполнен из трубы с заглушенными торцами.
В этом частном случае обеспечивается уменьшение материалоемкости конструкции.
В третьем частном случае реализации полезной модели теплообменник дополнительно содержит сальниковый компенсатор, обеспечивающий подвижное соединение внутренней трубы со вторым фланцем и второй крышкой, при этом внутренняя труба закреплена одним своим торцом в трубной доске, размещенной между первым фланцем и первой крышкой, и первый фланец выполнен с возможностью выемки внутренней трубы.
Указанные признаки обеспечивают разборное крепление внутренней трубы и компенсацию ее теплового расширения относительно наружной трубы сальниковым компенсатором, что позволяет применить внутренние трубы из цветных металлов и их сплавов с высокой теплопроводностью и, тем самым, повысить интенсивность теплопередачи. Кроме того, компенсация теплового расширения внутренней трубы позволяет выполнить теплообменник значительной длины, тем самым обеспечивается увеличение тепловой производительности аппарата.
Сальниковый компенсатор может содержать два эластичных уплотнительных кольца и размещенное между ними промежуточное металлическое кольцо, в котором выполнены радиально ориентированные дренажные отверстия.
При таком исполнении сальникового компенсатора исключается перемешивание теплоносителей внутри теплообменника при утечке в уплотнении, чем обеспечивается повышение эксплуатационной надежности и расширение области применения аппарата на случаи, где смешивание теплоносителей недопустимо.
В другом частном случае реализации полезной модели внутренняя труба с продольными ребрами может быть выполнена из алюминия или его сплавов, чем так же обеспечивается повышение интенсивности теплопередачи.
Сущность предложенной полезной модели поясняется графическими материалами, где:
на фиг. 1 показан теплообменник типа ”труба в трубе” в сборе, продольный разрез;
на фиг. 2 - узел А на фиг. 1;
на фиг. 3 показан вытеснитель в трубе;
на фиг. 4 - разрез Б-Б на фиг. 3.
Теплообменник типа ”труба в трубе” в предпочтительном примере выполнения (фиг. 1) содержит наружную трубу 1 с фланцами 2 и 3 по ее торцам, внутреннюю трубу 4 и крышки 5 и 6. Наружная труба снабжена радиально ориентированными патрубками 7 и 8 для подвода и отвода первого теплоносителя, а в крышках 5 и 6 выполнены резьбовые отверстия 9 и 10 для ввертывания штуцеров отвода и подвода второго теплоносителя.
Внутренняя труба 4 оснащена продольными ребрами 11 и коаксиально размещена в полости наружной трубы 1. Высота ребер 11 в радиальном направлении выбирается из условия обеспечения гарантированного зазора между этими ребрами и внутренней поверхностью трубы 1. Верхний торец внутренней трубы 4 неподвижно закреплен в трубной доске 12.
Внутренний диаметр фланца 2 больше диаметра внутренней трубы 4 с ребрами 11. Во фланце 2 выполнена расточка под трубную доску 12.
Узел соединения внутренней трубы 4 с фланцем 3 и крышкой 6 выполнен подвижным, с сальниковым компенсатором (узел А на фиг. 1). Внутренняя труба 4 проходит через сквозное отверстие фланца 3 и заходит своим торцом в расточку в крышке 6. Сальниковый компенсатор (фиг. 2) содержит эластичное уплотнительное кольцо 13 в углублении фланца 3, промежуточное металлическое кольцо 14 и второе эластичное уплотнительное кольцо 15 в углублении крышки 6. В промежуточном кольце 14 могут быть выполнены кольцевая канавка 16 и несколько дренажных отверстий 17, соединяющие эту канавку с атмосферой.
В полости внутренней трубы 4 размещен вытеснитель 18, выполненный предпочтительно из цилиндрической трубы 19 с заглушками 20 по торцам (фиг. 3-4), при этом длина вытеснителя 18 меньше длины трубы 4. По торцам вытеснителя закреплены по три центрирующие планки 21, которые выходят за габариты вытеснителя как в радиальном направлении, так и по длине последнего. Толщина планок 21 выбирается из условия соблюдения гарантированного диаметрального зазора между этими планками и внутренней поверхностью 22 трубы 4, а длина выступающей части этих планок - из условия соблюдения гарантированного суммарного зазора между торцами этих планок и крышками 5, 6 в собранном теплообменнике.
Внутренняя труба 4 с продольными ребрами 11 может быть выполнена из алюминия или его сплавов, наружная труба 1 и вытеснитель 18 - из стали.
Сборку теплообменника осуществляют в следующей последовательности.
Собирают узел неподвижного соединения внутренней и наружной труб: укладывают в расточку фланца 2 уплотнительную прокладку 23, затем со стороны фланца 2 устанавливают внутреннюю трубу 4 с ребрами 11 и трубной доской 12 в наружную трубу 1, укладывают на трубной доске 12 вторую уплотнительную прокладку 24, затем устанавливают крышку 5. Через открытый торец внутренней трубы 4 устанавливают в ее внутреннюю полость вытеснитель 18 с закрепленными на нем центрирующими деталями. Собирают узел сальникового компенсатора: устанавливают первое эластичное уплотнительное кольцо 13, промежуточное металлическое кольцо 14 и второе эластичное уплотнительное кольцо 15, затем устанавливают крышку 6.
При работе заявленного теплообменника типа ”труба в трубе” в кольцевой канал 25 между наружной и внутренней трубами подают, как правило, теплоноситель с низкими показателями теплопроводности, а в трубную полость внутренней трубы 4 - второй теплоноситель, при этом организуют противоточное движение теплоносителей.
Далее описание работы теплообменника приводится на примере маслоохладителя с водяным охлаждением.
Теплообменник в качестве маслоохладителя работает следующим образом. Охлаждаемое масло подают в кольцевой канал 25 между наружной и внутренней трубами через патрубок 7 и отводят - через патрубок 8, а воду подают во внутреннюю трубу 4 через крышку 6 и отводят - через крышку 5, в результате чего происходит противоточное движение теплообменивающихся сред - масла и воды (на чертеже фиг. 1 направление показано стрелками).
Масло движется в кольцевом канале 25, разделенном продольными ребрами 11 на ряд параллельных каналов. Охлаждающая вода движется в кольцевом канале 26, образованном во внутренней трубе 4 вытеснителем 18, при этом наличие полостей 27 на полное сечение внутренней трубы в зоне торцов этой трубы способствует ламинарному характеру движения воды в кольцевом канале. При нарушении плотности в сальниковом компенсаторе протечки попадают в кольцевую канавку 16 и через дренажные отверстия 17 выводятся наружу, чем предотвращается перемешивание теплоносителей внутри теплообменника.
В эксплуатации при необходимости механической очистки внутренней трубы от загрязнений достаточно снять одну из крышек 5 (6), после чего вынимают вытеснитель 18. Сборку после очистки производят в обратной последовательности.
Изложенные примеры не исчерпывают возможные варианты реализации полезной модели. Вытеснитель может быть сплошным, удерживающие вытеснитель детали могут иметь другую конструкцию, крепление внутренней трубы может быть жестким или может быть применен компенсатор другой конструкции, могут быть выбраны другие материалы для изготовления узлов и деталей теплообменника и т.д.
Примеры выполнения подтверждают возможность достижения заявленного технического результата. Обеспечивается уменьшение затрат энергии на прокачивание теплоносителя, возможность повышения тепловой производительности аппарата и интенсивности теплопередачи, упрощение конструкции, уменьшение материалоемкости, повышение эксплуатационной надежности и расширение области применения аппарата.