ТЕПЛООБМЕННИК "ТРУБА В ТРУБЕ"

Техническое решение относится к теплообменникам типа «труба в трубе», которые могут найти применение в химической, нефтехимической, машиностроительной, атомной, энергетической, судостроительной, медицинской и других отраслях промышленности.
Известна конструкция теплообменника «труба в трубе», состоящего из наружной и внутренней трубы, жестко соединенных сваркой к кольцу на одном конце и имеющих компенсирующее устройство в виде сальника на другом. Последний состоит из фланца, стакана, сальниковой набивки и прижимной втулки.
При затяжке шпилек втулка сжимает набивку, которая, деформируясь, плотно герметизирует кольцевой канал. Во время нагрева внутренняя труба удлиняется, не нарушая герметичности соединения (Ю.Н. Шаповалов, B.C. Шеин. Машины и аппараты общехимического назначения. Учебное пособие. - Воронеж, издательство Воронежского университета, 1991, с. 111).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится сложность очистки наружной поверхности внутренней трубы, где образуется накипь, солевой камень и другие отложения, так как наружную и внутреннюю трубы нельзя отделить друг от друга, то есть этот теплообменник является неразборным и ненадежным.
Известна конструкция теплообменника «труба в трубе», состоящего из наружной трубы с патрубками входа и выхода одного теплоносителя, внутренней теплообменной трубы с патрубками входа и выхода другого теплоносителя, фланца, неразъемно соединенного с внутренней теплообменной трубой на одном конце, и малого фланца, также неразъемно соединенного с внутренней теплообменной трубой на другом ее конце, причем фланец наружной трубы соединен с фланцем внутренней трубы через прокладку болтовым соединением, а на другом конце малый фланец внутренней трубы соединен через прокладку шпильками с внутренним фланцем наружной трубы (патент на полезную модель РФ №130379, F28F 1/00, 2014).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится сложность эксплуатации, связанная с проблемами монтажа и демонтажа при соосном соединении малого фланца внутренней теплообменной трубы с помощью шпилек с внутренним фланцем наружной трубы и увеличение количества уплотнительных поверхностей из-за необходимости герметизации отдельно каждого шпилечного соединения, что увеличивает вероятность возникновения разгерметизации межтрубного пространства и снижает надежность конструкции теплообменника.
Известна конструкция теплообменника «труба в трубе», содержащего наружную трубу с патрубками входа и выхода одного теплоносителя, внутреннюю теплообменную трубу для другого теплоносителя, соединенные между собой разъемно с помощью фланцев и болтового соединения, при этом наружная труба соединена с обоими фланцами неразъемно, внутренняя теплообменная труба с одним из фланцев соединена неразъемно, а другой фланец выполнен съемным, при этом на одном конце внутренней теплообменной трубы соосно с ней неразъемно закреплена втулка с гильзой, имеющей на наружной поверхности резьбу, на которую для дополнительной герметизации съемного фланца установлена гайка, причем съемный фланец установлен со скользящей посадкой на втулке, а между съемным фланцем и гайкой установлен сальник, а отношение наружного диаметра втулки и внутреннего диаметра наружной трубы составляет
,
где d - наружный диаметр втулки;
D - внутренний диаметр наружной трубы.
(патент на полезную модель РФ №154481, F28F 1/00, F28D 7/10, 2015).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится ненадежная герметизация межтрубного пространства из-за возможности появления в материале прокладки трещин и разрывов при закручивании гайки и неравномерность сжатия прокладки вдоль всей ее кольцевой поверхности в зазоре между гайкой и съемным фланцем.
Использование резьбового гаечного соединения с размерами гайки соизмеримыми с размерами съемного фланца предъявляет повышенные требования к параллельности поверхностей их соприкосновения, уплотняемых с помощью прокладки, так как в противном случае в прокладке будут существовать участки со слабо прижатым прокладочным материалом, что и может послужить причиной разгерметизации межтрубного пространства теплообменника при высоком давлении теплоносителя.
Кроме того, герметизация соединения между съемным фланцем и гайкой, когда сжимающее усилие на материал прокладки создается путем закручивания гайки, не может быть надежной из-за появления в материале прокладки больших касательных напряжений, приводящих к появлению в нем трещин и разрывов и, как следствие, к разгерметизации межтрубного пространства даже при малом давлении теплоносителя.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявленному объекту и выбранному за прототип является теплообменник «труба в трубе», содержащий наружную трубу с патрубками входа и выхода одного теплоносителя и внутреннюю теплообменную трубу для другого теплоносителя, соединенных между собой разъемно с помощью фланцев и болтового соединения, при этом наружная труба соединена с обоими фланцами неразъемно, а внутренняя теплообменная труба с одним из фланцев соединена неразъемно, а другой фланец выполнен съемным, при этом на конце внутренней теплообменной трубы со стороны съемного фланца установлен соосно с ней и обращенный открытым торцом к съемному фланцу стакан с центральным отверстием, в съемном фланце выполнено центральное отверстие, в котором закреплен патрубок с наружным диаметром, меньшим диаметра внутренней боковой стенки стакана, и внутренним диаметром, большим диаметра наружной стенки внутренней теплообменной трубы, при этом конец патрубка со стороны расположения стакана выполнен в виде усеченного конуса, обращенного большим основанием к стакану, и установлен в кольцевом зазоре между стаканом и внутренней теплообменной трубой, а между торцом патрубка съемного фланца и донышком стакана установлено уплотнение (патент на полезную модель РФ №56580 U1, F28F 1/00, 2006).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится ненадежная герметизация межтрубного пространства из-за невозможности одновременного обеспечения расчетных значений силы осевого сжатия плоской прокладки со стороны съемного фланца и силы сжатия уплотнения, установленного между торцом патрубка съемного фланца и донышком стакана.
В собранном состоянии теплообменника герметизация межтрубного пространства со стороны съемного фланца осуществляется путем осевого сжатия плоской прокладки между фланцами и прижатия к уплотняемым поверхностям материала уплотнения, установленного между торцом патрубка съемного фланца и донышком стакана, при этом материалы плоской прокладки и уплотнения характеризуются разной степенью прочности и способностью к деформированию. Требуемые расчетные значения осевой силы сжатия плоской прокладки и расчетных сил прижатия материала уплотнения для заданного рабочего давления теплоносителя в межтрубном пространстве будут различны, однако с помощью болтового соединения неразъемного и разъемного фланцев можно обеспечить только одно из расчетных усилий и тогда другое усилие окажется меньше расчетного или превысит его. В первом случае не будет обеспечена герметизация межтрубного пространства, а во втором - возможно нарушение целостности уплотняющего материала и, как следствие, разгерметизация межтрубного пространства.
Техническим результатом предлагаемой конструкции теплообменника «труба в трубе» является увеличение надежности конструкции разборного теплообменника при высоких давлениях теплоносителя.
Поставленный технический результат достигается тем, что в теплообменнике «труба в трубе», содержащем наружную трубу с патрубками входа и выхода одного теплоносителя и внутреннюю трубу для другого теплоносителя, соединенных между собой разъемно посредством фланцев и болтового соединения, при этом наружная труба соединена с обоими фланцами неразъемно, внутренняя труба с одним из фланцев соединена неразъемно, а другой фланец выполнен съемным, при этом на конце внутренней трубы со стороны съемного фланца установлен соосно с ней обращенный открытым торцом к съемному фланцу стакан с центральным отверстием, а в съемном фланце выполнено центральное отверстие, в котором закреплен патрубок с наружным диаметром, меньшим диаметра внутренней боковой стенки стакана, и внутренним диаметром, большим диаметра наружной стенки внутренней трубы, при этом конец патрубка со стороны расположения стакана выполнен в виде усеченного конуса, обращенного большим основанием к стакану, и установлен в кольцевом зазоре между стаканом и внутренней трубой, а между торцом патрубка съемного фланца и донышком стакана установлено уплотнение, при этом во фланце наружной трубы, расположенном со стороны съемного фланца, выполнено центральное отверстие, в котором неразъемно закреплен стакан, установленный с зазором между поверхностью его центрального отверстия и внутренней трубой.
При установке стакана с зазором между наружной поверхностью внутренней трубы и поверхностью центрального отверстия в стакане, закрепленного неразъемно в центральном отверстии, выполненном во фланце наружной трубы, для обеспечения герметичности межтрубного пространства теплообменника оказывается достаточным только уплотнения, установленного между торцом патрубка и донышком стакана. Такой способ герметизации кольцевого зазора в технике называется сальниковым уплотнением, в котором, в данном случае, стакан образует полость, в которой размещается уплотняющий материал, а нажимной втулкой служит патрубок.
Неразъемное закрепление стакана в центральном отверстии фланца наружной трубы исключает необходимость установки прокладки для уплотнения зазора между фланцами со стороны съемного фланца, уменьшая тем самым в конструкции теплообменника количество соединений, подлежащих уплотнению, что при прочих равных условиях снижает количество возможных случаев разгерметизации межтрубного пространства, повышая тем самым надежность конструкции теплообменника.
Вследствие устранения в конструкции теплообменника уплотнения с помощью плоской прокладки для обеспечения герметичности межтрубного пространства требуется создание только одного расчетного осевого усилия, необходимого для сжатия уплотняющего материала в сальниковом уплотнении, которое и создается с помощью болтового соединения фланцев. При этом наличие неуплотняемого зазора между фланцами позволяет осуществлять с помощью болтового соединения фланцев в случае необходимости поджатия уплотняемого материала, что увеличивает надежность конструкции теплообменника.
Сальниковое уплотнение, предназначенное для герметизации межтрубного пространства, при термическом изменении длин наружной и внутренней труб обладает свойствами температурного компенсатора, что уменьшает риски деформации и потери прочности сварных швов от термических напряжений, что повышает надежность конструкции теплообменника.
Схема предлагаемой конструкции теплообменника «труба в трубе» в сборке представлена на фиг. 1, на фиг. 2 представлено увеличенное изображение вида А.
Теплообменник «труба в трубе» состоит из наружной трубы 1 с патрубками входа 2 и выхода 3 одного теплоносителя и внутренней трубы 4 с фланцем 5 со стороны входа другого теплоносителя и фланцем 6, неразъемно соединенным с внутренней трубой 4 на одном ее конце. На одном конце наружной трубы 1 неразъемно с ней установлен фланец 7, соединенный с фланцем 6 через прокладку 8 болтовым соединением 9. На другом конце наружной трубы 1 неразъемно с ней установлен фланец 10 с закрепленным в его центральном отверстии стаканом 11, при этом между поверхностью центрального отверстия в донышке стакана 11 и наружной поверхностью внутренней трубы 4 имеется зазор h, размер которого достаточен для продольного перемещения в нем внутренней трубы 4. Полость между внутренней поверхностью стакана 11 и наружной поверхностью внутренней трубы 4 заполнена уплотняющим материалом 12. В центральном отверстии съемного фланца 13 с одной стороны закреплен патрубок 14, конец которого со стороны расположения стакана выполнен в виде усеченного конуса. Патрубок 14 служит нажимной втулкой сальникового уплотнения. С другой стороны съемного фланца 13 в его центральном отверстии закреплен патрубок 15 с фланцем 16 для подсоединения теплообменника к трубопроводу. Съемный фланец 13 крепится к фланцу 10 наружной трубы 1 с помощью болтового соединения 17.
Сборку теплообменника «труба в трубе» осуществляют следующим образом. Устанавливают прокладку 8 на фланец 6 и вставляют внутреннюю трубу 4 внутрь трубы 1, продвигают ее до соприкосновения фланцев 6 и 7 и стягивают их с помощью болтового соединения 9, герметично уплотняя прокладку 8. Образовавшуюся полость между внутренней поверхностью стакана 11 и наружной поверхностью внутренней трубы 4 заполняют уплотняющим материалом 12 на расчетную глубину, устанавливают по месту съемный фланец 13, помещая являющийся нажимной втулкой патрубок 14 во внутрь стакана 11, и стягивают фланцы 13 и 10 с помощью болтового соединения 17, сдавливая уплотняющий материал 12 и герметизируя тем самым межтрубное пространство от сообщения как с внешней окружающей средой, так и с пространством внутренней трубы 4. Зазор, имеющийся между фланцами 10 и 13, позволяет регулировать силу сжатия уплотняющего материала 12, создаваемую болтовым соединением 17 и в дальнейшем, при необходимости, поджимать уплотняющий материал.
Разборка теплообменника «труба в трубе» осуществляется в обратном порядке. Разбирают болтовое соединение 17, снимают фланец 13, конструктивно совмещенный с нажимной втулкой 14 и патрубком 15, и удаляют уплотняющий материал 12. Разбирают болтовое соединение 9 и извлекают внутреннюю трубу 4 из наружной трубы 1. При необходимости очищают наружную и внутреннюю поверхность внутренней трубы 4 известными методами (щетками, абразивной, пескоструйной обработкой и другие).
Теплообменник «труба в трубе» работает следующим образом. Пусть теплообменник труба в трубе является одним из звеньев многозвенного теплообменника типа ТТ (ГОСТ 9930-67), предназначенного для конденсации насыщенного пара некоторого продукта. Пусть конденсируемый пар поступает во внутреннюю трубу 4 верхнего звена теплообменника ТТ, а охлаждающая вода - в межтрубное кольцевое пространство нижнего звена теплообменника ТТ. При такой подаче конденсируемого пара и охлаждающей воды в теплообменник ТТ движение горячего и холодного теплоносителей во всех звеньях теплообменника ТТ будет противоточным. Насыщенный пар, контактируя с охлаждаемой водой стенкой внутренней трубы 4 теплообменников «труба в трубе» (звеньев теплообменника ТТ), охлаждается и конденсируется, образуя ручей конденсата вдоль потока пара, при этом расход пара вдоль ручья конденсата убывает, а расход конденсата возрастает. На выходе из теплообменника ТТ внутренняя труба 4 оказывается полностью заполненной конденсатом, между потоком конденсата во внутренней трубе 4 и потоком омывающей ее охлаждающей воды осуществляется теплообмен, в результате которого температура конденсата вдоль потока уменьшается до некоторого ее значения на выходе из теплообменника ТТ, заданного условиями его эксплуатации. Поток охлаждающей воды, воспринимая теплоту охлаждаемого конденсата и теплоту конденсации насыщенного пара, нагревается, и его температура на выходе из теплообменника ТТ относительно начальной увеличивается на величину
,
где q - количество теплоты, воспринятое водой при конденсации пара и охлаждении конденсата;
G и с - соответственно, расход охлаждающей воды и ее теплоемкость.
Таким образом, выполнение во фланце 10 наружной трубы 1, расположенном со стороны съемного фланца 13, центрального отверстия, в котором неразъемно закреплен стакан 11, установленный с зазором между поверхностью его центрального отверстия и внутренней трубой 4, позволяет исключить необходимость уплотнения зазора между фланцем 10 наружной трубы 1 и съемным фланцем 13, так как герметизация межтрубного пространства со стороны съемного фланца 13 полностью обеспечивается с помощью только одного сальникового уплотнения, уменьшая тем самым в конструкции теплообменника общее количество соединений, подлежащих уплотнению, что при прочих равных условиях снижает количество возможных случаев разгерметизации межтрубного пространства, повышая тем самым надежность конструкции теплообменника.
Неразъемное закрепление стакана 11 с фланцем 10 наружной трубы 1 и установка его с зазором между поверхностью его центрального отверстия и внутренней трубой 4 предотвращает при термическом изменении длин наружной 1 и внутренней 4 труб изменение объема пространства, занимаемого сжатым материалом сальникового уплотнения, обеспечивая тем самым постоянство требуемого для герметизации усилия сжатия материала уплотнения, что способствует повышению надежности конструкции теплообменника.
Кроме того, сальниковое уплотнение является температурным компенсатором при термическом изменении длин наружной 1 и внутренней 4 труб, что уменьшает риски деформации и потери прочности сварных швов от термических напряжений и повышает надежность конструкции теплообменника.