Теплообменник типа "труба в трубе" с вращающейся спиральной лентой
"PIPE-IN-PIPE" HEAT EXCHANGER WITH ROTATING SPIRAL TAPE

Изобретение относится к теплообменникам типа «труба в трубе» для проведения теплообменных процессов между теплоносителями с использованием подвижных каналов (вращающихся труб) и может быть использовано в газовой, химической и нефтеперерабатывающей промышленности.
Теплообменное устройство, описанное в патенте на изобретение РФ №2359192, включает спиральный турбулизатор и цилиндрические ребра. Турбулизатор состоит из спиральной ленты, навитой на стержень. Цилиндрические ребра установлены на наружной поверхности внутренней трубы с помощью изогнутых металлических пластин. Благодаря этим устройствам происходит интенсификация теплообмена и снижаются затраты на очистку внутренней поверхности теплообмена от твердых отложений.
Общим признаком с предлагаемой конструкцией является наличие спирального элемента во внутренней трубе.
Недостатком данного изобретения является недостаточно высокая интенсивность теплообмена, высокая материалоемкость устройства и большое гидравлическое сопротивление.
В авторском свидетельстве СССР №1270518 описан шнековый теплообменник, который содержит ротор для транспортировки материала в виде шнека с винтовыми лопастями и внутреннюю трубу, которая внутри снабжена спиральным элементом. С целью интенсификации теплообмена внутренняя труба установлена с возможностью вращения в направлении, противоположном направлению вращения внешней трубы, спиральная навивка жестко закреплена на внутренней трубе, которая внутри снабжена спиральным элементом, совпадающим по направлению закрутки с лопастями шнека и противоположным по отношению к спиральной навивке. Вращение внешней и внутренней труб осуществляется за счет энергии привода.
Общими признаками с предлагаемой конструкцией является наличие спирального элемента во внутренней трубе и способность внутренней трубы вращаться.
Недостаток аналогичен предыдущему аналогу.
В патенте на изобретение РФ №2502931 описан теплообменник типа «труба в трубе», который содержит внутреннюю и наружную трубы с винтовыми вставками. Благодаря винтовым ставкам происходит увеличение коэффициентов теплопередачи на 40-80%. Целью данного изобретения является интенсификация теплопередачи.
Общим признаком с предлагаемой конструкцией является наличие турбулизатора в виде винтовой (спиральной) вставки во внутренней трубе.
Недостаток аналогичен предыдущему аналогу.
Наиболее близким по конструкции (прототип) является теплообменник, описанный в патенте РФ №2645861 «Теплообменник типа «труба в трубе» с вращающейся трубой», который состоит из двух концентрических труб: внутренней трубы и внешней трубы, радиальной турбины, осевой турбины, турбулизатора в виде спиральной ленты, двух подшипников, уплотнений и патрубков для входа и выхода высокоскоростного теплоносителя. Радиальная турбина устанавливается на внутренней трубе и крепится на ней с натягом. Радиальная турбина располагается напротив патрубка для входа высокоскоростного теплоносителя. Во внутреннюю трубу устанавливается с натягом осевая турбина.
Общими признаками с предлагаемой конструкцией теплообменника является наличие двух концентрических труб, способность внутренней трубы вращаться за счет энергии потока теплоносителя, двух подшипников, уплотнений, спиральной ленты, патрубков для входа и выхода теплоносителя.
Недостатком данного изобретения является недостаточно высокая интенсивность теплообмена, высокая материалоемкость устройства и большое гидравлическое сопротивление.
Задачей изобретения является создание нового высокоэффективного теплообменного устройства типа «труба в трубе» для проведения теплообменных процессов между двумя теплоносителями.
Технический результат изобретения заключается в:
- увеличении интенсивности процессов теплообмена;
- снижении материалоемкости теплообменника;
- снижении гидравлического сопротивления теплообменника.
Устранение указанных недостатков и достижение заявляемого технического результата от реализации нового теплообменника типа «труба в трубе», достигается за счет того, что спиральная лента жестко крепится к внутренней стенке внутренней трубы, обеспечивая завихрение горячего теплоносителя и вращение внутренней трубы, а перемешивание холодного теплоносителя в межтрубном пространстве обеспечивается за счет ряда круглозвенных цепей, закрепленных одним концом к одной образующей внешней стенке вращающейся внутренней трубы с шагом, равным не менее двух длин цепи, причем длина каждой цепи меньше расстояния между стенками внешней и внутренней трубы, при этом горячий теплоноситель приводит спиральную ленту, расположенную во внутренней трубе, вместе с внутренней трубой, во вращение, при этом вместе с внутренней трубой вращается ряд круглозвенных цепей одинаковой длины, это позволяет повысить турбулентность горячего и холодного теплоносителя и интенсивность теплопередачи между потоком горячего теплоносителя и потоком холодного теплоносителя, и, как следствие, снизить требуемый объем теплообменника, а также снизить материалоемкость теплообменника, при этом в межтрубном пространстве круглозвенные цепи имеют низкое гидравлическое сопротивление потоку холодного теплоносителя, что способствует снижению гидравлического сопротивления теплообменника.
Отличительной особенностью заявляемого изобретения являются расположение спиральной ленты внутри подвижной внутренней трубы и наличие ряда круглозвенных цепей, жестко прикрепленных к одной образующей внешней стенки внутренней трубы с шагом, равным не менее двух длин цепи, причем длина каждой цепи меньше расстояния между стенками внешней и внутренней трубы, при этом поступающий во внутреннюю трубу поток горячего теплоносителя вращает спиральную ленту и внутреннюю трубу, при этом вместе с внутренней трубой вращается ряд круглозвенных цепей, при этом цепи при вращении внутренней трубы перемешивают холодный теплоноситель в межтрубном пространстве, при этом внешняя труба жестко соединена с входным и выходным патрубками для горячего теплоносителя. При этом шаг между цепями равен не менее чем двум длинам цепи для того, чтобы цепи не переплетались и не сцеплялись, а длина каждой цепи меньше расстояния между стенками внешней и внутренней трубы для того, чтобы при вращении внутренней трубы цепи не касались стенок внешней трубы. Спиральная лента во внутренней трубе и круглозвенные цепи играют также роль оребрения и способствуют увеличению площади теплообмена и интенсивности теплопередачи. Спиральная лента играет также роль завихрителя потока горячего теплоносителя, при прохождении через который горячий теплоноситель приобретает вращательное направление движения. Круглозвенные цепи играют также роль завихрителя потока холодного теплоносителя. Вращение внутренней трубы вызывает образование турбулентности как в горячем теплоносителе, проходящем по внутренней трубе, так и в холодном теплоносителе, проходящем в межтрубном пространстве, что приводит к интенсификации переноса теплоты через стенку внутренней трубы от горячего теплоносителя к холодному теплоносителю. Подшипники располагаются в межтрубном пространстве на внутренней трубе и упираются в стенки внеш-ней трубы. Герметичность места соединения вращающейся внутренней трубы с неподвижным входным и неподвижным выходным патрубками горячего теплоносителя обеспечивается уплотнениями. Таким образом, кинетическая энергия горячего теплоносителя используется для вращения спиральной ленты, внутренней трубы с прикрепленными к ней снаружи цепями, турбулизации потоков теплоносителей во внутренней трубе и в межтрубном пространстве, что позволяет увеличить интенсивность процессов теплообмена, снизить затраты металла на изготовление теплообменника. В межтрубном пространстве теплообменника круглозвенные цепи, расположенные между входным и выходным патрубками холодного теплоносителя, создают малое гидравлическое сопротивление потоку, этим обеспечивается снижение гидравлического сопротивления.
Сущность предлагаемого теплообменника поясняется чертежами (фиг. 1-3). Перечень фигур:
Фиг. 1. Общий вид теплообменника.
Фиг. 2. Общий вид спиральной ленты.
Фиг. 3. Общий вид одной круглозвенной цепи.
На фиг. 1 приведен общий вид заявляемого теплообменника. На фиг. 2 приведен вид спиральной ленты, установленной во внутренней трубе. На фиг. 3. приведен общий вид одной круглозвенной цепи.
Заявляемый теплообменник (фиг. 1) состоит из двух концентрических труб, неподвижной внешней трубы (1) и вращающейся внутренней трубы (2), спиральной ленты (3), неподвижного патрубка для входа холодного теплоносителя (8), неподвижного патрубка для выхода холодного теплоносителя (9), двух уплотнений (4), двух подшипников (7), неподвижного патрубка для входа горячего теплоносителя (5), неподвижного патрубка для выхода горячего теплоносителя (6), круглозвенных цепей (10). Спиральная лента (3) устанавливается во внутреннюю трубу (2) и жестко крепится внутри нее. Внутренняя труба (2) лежит на двух подшипниках (7). Ряд круглозвенных цепей жестко крепится на одной образующей внешней стороны стенки внутренней трубы (2). Подшипники (7) располагаются на внутренней вращающейся трубе (2) между уплотнениями (4) (фиг.1).
Отличительными признаками являются расположение спиральной ленты внутри вращающейся внутренней трубы и наличие ряда круглозвенных цепей, жестко прикрепленных к одной образующей внешней стенки внутренней трубы с шагом, равным не менее двух длин цепи, причем длина каждой цепи меньше расстояния между стенками внешней и внутренней трубы.
Предлагаемый теплообменник типа «труба в трубе», предназначенный для теплообмена между двумя теплоносителями, работает следующим образом. Горячий теплоноситель через неподвижный входной патрубок (5) поступает во внутреннюю трубу (2), содержащую спиральную ленту (3). Поток горячего теплоносителя взаимодействует со спиральной лентой (3), приводит ее во вращение вместе с внутренней трубой (2), установленной на подтипниках (7) (фиг. 1). Внутренняя труба (2) и спиральная лента (3), жестко прикрепленная к ней, вращаются как одно целое, с одинаковой частотой и направлением вращения. Спиральная лента (3), прикрепленная жестко к стенкам внутренней трубы (2), турбулизирует поток горячего теплоносителя, что приводит к увеличению интенсивности теплопередачи. Вместе с внутренней трубой (2) вращаются круглозвенные цепи (10) одинаковой длины, прикрепленные жестко одним концом на одной образующей внешней стороны стенки внутренней трубы (2). Образующая - это линия, параллельная оси трубы, проходящая по внешней стороне стенки внутренней трубы. Шаг между цепями (10) равен не менее чем двум длинам цепи (10), причем длина каждой цепи меньше расстояния между стенками внешней и внутренней трубы, чтобы цепи при вращении трубы (2) не касались стенок внешней трубы (1). При этом круглозвенные цепи (10) при вращении внутренней трубы (2) перемешивают холодный теплоноситель в межтрубном пространстве. Кинетическая энергия горячего теплоносителя используется для вращения спиральной ленты (3) и внутренней трубы (2) с круглозвенными цепями (10), турбулизации потоков теплоносителей, что позволяет интенсифицировать процесс теплопередачи. Теплопередача между горячим теплоносителем и холодным теплоносителем происходит через стенку внутренней трубы (2). Горячий теплоноситель выходит из трубного пространства через неподвижный выходной патрубок (6). Холодный теплоноситель поступает в межтрубное пространство через неподвижный патрубок (8), проходит по межтрубному пространству и выходит через неподвижный патрубок (9). Уплотнения (4) предназначены для герметизации мест соединения внутренней вращающейся трубы (2) и неподвижных патрубков (5) и (6). Таким образом, кинетическая энергия горячего теплоносителя используется для вращения внутренней трубы (2) с круглозвенными цепями (10) при помощи спиральной ленты (3), турбулизации потоков теплоносителей в межтрубном пространстве и во внутренней трубе (2), что позволяет интенсифицировать процесс теплопередачи, снизить материалоемкость теплообменника и снизить гидравлическое сопротивление теплообменника.
Литература
1. Патент на изобретение РФ №2359192. Теплообменник типа «труба в трубе» / Г.Я. Ахмедов. Опубл. 20.06.09, Бюл. №17.
2. Авторское свидетельство СССР №1270518. Шнековый теплообменник, F26B 17/20, 11/14/ Э.С. Мачавариани. Опубл. 15.11.86.
3. Патент на изобретение РФ №2502931. Теплообменник «труба в трубе» / A.M. Ефремов, А.А. Мелкомуков, И.В. Холодков, Е.Н. Головенкин, А.Д. Безруких. Опубл. 27.12.13.
4. Патент на изобретение РФ №2645861. Теплообменник типа «труба в трубе» с вращающейся трубой / А.В. Бальчугов, Б.О. Кустов, И.Е. Кузора, А.В. Бадеников, К.А. Кузнецов. Опубл. 28.02.2018.