Теплообменник типа "труба в трубе" с вращающейся теплообменной поверхностью
"PIPE-IN-PIPE" HEAT EXCHANGER WITH ROTATING HEAT EXCHANGE SURFACE

Изобретение относится к теплообменным аппаратам типа «труба в трубе» для проведения теплообменных процессов между теплоносителями с использованием подвижных каналов (вращающихся труб).
В авторском свидетельстве СССР №1273729 описано теплообменное устройство, имеющее спиральный турбулизатор и лопастной завихритель, которые расположены в теплообменной трубе. Спиральный турбулизатор представляет собой пружину, которая закреплена одним концом на завихрителе. Завихритель и пружина с обоих концов установлены в подшипниках. Завихритель и пружина позволяют соскребать отложения с внутренней поверхности трубы и увеличивать турбулентность теплоносителя.
Общими признаками с предлагаемой конструкцией является наличие подшипников, наличие лопастей и подвижность части конструкции.
Недостатком данного изобретения является недостаточно высокая интенсивность теплообмена, высокая материалоемкость устройства и большое гидравлическое сопротивление.
Теплообменник, описанный в патенте РФ на изобретение №2121122, снабжен турбулизаторами на наружной поверхности труб, выполненными в виде гибких металлических стержней, установленных по спирали с заданным шагом и с заданным отношением диаметра стержня спирали к наружному диаметру трубы. Изобретение позволяет уменьшить оседание взвеси на наружных поверхностях и интенсифицировать теплообмен.
Общими признаками с предлагаемой конструкцией является наличие спирального турбулизатора.
Недостаток аналогичен предыдущему аналогу.
В работе [В.К. Щукин «Теплообмен и гидродинамика внутренних потоков в полях массовых сил», Машиностроение, 1970, с. 273-274], описан теплообменник с внутренней трубой, вращающейся вокруг своей оси с помощью электродвигателя. Неподвижные трубы теплообменника имеют продольные ребра. Теплообменник снабжен подшипниками и уплотнениями.
Общими признаками с предлагаемой конструкцией является наличие вращающейся вокруг своей оси трубы, наличие подшипников и уплотнений.
Недостаток аналогичен предыдущему аналогу.
Наиболее близким по конструкции (прототип) является теплообменник, описанный в патенте №2645861 («Теплообменник типа «труба в трубе» с вращающейся трубой»), который имеет радиальную турбину, установленную с натягом на внутреннюю трубу, и осевую турбину, расположенную во внутренней трубе, вращающейся вокруг своей оси. Данный теплообменник имеет также турбулизатор в виде спиральной ленты, прикрепленной к трубе с помощью сварки, и подшипники. Вращение трубы позволяет повысить турбулентность потока и за счет этого увеличить интенсивность процессов теплообмена, и как следствие, снизить требуемую поверхность теплообмена, а также снизить затраты металла на изготовление теплообменника.
Общими признаками с предлагаемой конструкцией теплообменника являются наличие двух концентрических труб разного диаметра, подшипников, турбулизатора, осевой турбины и способность внутренней трубы совершать вращательное движение.
Недостатком данного изобретения является недостаточно высокая частота вращения внутренней трубы и, как следствие, низкая интенсивность теплообмена, высокое гидравлическое сопротивление, создаваемой ленточным турбулизатором, и высокая материалоемкость теплообменника.
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 частоты вращения внутренней трубы и 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», содержащего две концентрических трубы разного диаметра, плосколопастной статор, плосколопастной ротор, турбулизатор в виде спиралевидной проволоки, два подшипника, два уплотнения, достигается за счет того, что поток холодного теплоносителя, поступающий в межтрубное пространство теплообменника через патрубок, проходит по каналам, образованным плоскими лопатками статора, жестко закрепленного внутри внешней трубы, при этом поток холодного теплоносителя приобретает направление, необходимое для вращения плосколопастного ротора, далее поток холодного теплоносителя проходит по каналам, образованным плоскими лопатками ротора, жестко закрепленного на внутренней трубе, и поток холодного теплоносителя вращает плосколопастной ротор и внутреннюю трубу с жестко прикрепленным к ней турбулизатором в виде спиралевидной проволоки, и с подшипниками, при этом по ходу потока холодного теплоносителя спиралевидная проволока расположена на внутренней трубе после ротора, что позволяет повысить частоту вращения внутренней трубы и теплообменной поверхности и повысить турбулентность потока, а также повысить поверхность теплообмена, и за счет этого увеличить интенсивность процессов теплообмена между потоком холодного теплоносителя и потоком горячего теплоносителя, подаваемого во внутреннюю трубу, и как следствие, снизить требуемый объем теплообменника, а также снизить материалоемкость теплообменника, при этом спиралевидная проволока (3) имеет низкое гидравлическое сопротивление, что способствует снижению гидравлического сопротивления теплообменника.
Отличительной особенностью заявляемого изобретения является то, что внутри внешней трубы теплообменника жестко устанавливается плосколопастной статор, а на внутреннюю трубу теплообменника жестко устанавливается плосколопастной ротор так, чтобы поток холодного теплоносителя, проходя между плоскими лопатками статора, приобретал направление, необходимое для вращения плосколопастного ротора и внутренней трубы, и, кроме того, к внешней стороне внутренней трубы жестко прикрепляется турбулизатор в виде спиралевидной проволоки, при этом по ходу потока холодного теплоносителя спиралевидная проволока расположена на внутренней трубе после ротора. В отличие от прототипа, в заявляемом теплообменнике в межтрубном пространстве имеется плосколопастной статор и плосколопастной ротор. Плосколопастной ротор играет также роль оребрения и способствует увеличению площади теплообмена и интенсивности теплопередачи. Плосколопастной ротор играет также роль завихрителя потока холодного теплоносителя, при прохождении через который холодный теплоноситель приобретает вращательное направление движения. При этом по ходу потока холодного теплоносителя спиралевидная проволока расположена на внутренней трубе после плосколопастного ротора. Вследствие этого спиралевидная проволока взаимодействует с вращающимся потоком холодного теплоносителя, что приводит к образованию вихрей в потоке и турбулизации потока. Плоские лопасти статора играют роль направляющих для потока холодного теплоносителя и позволяют повысить частоту вращения внутренней трубы и коэффициент полезного действия преобразования кинетической энергии потока в энергию вращения теплообменной поверхности. Подшипники располагаются на внутренней трубе и упираются в стенки внешней трубы. Герметичность места соединения вращающейся внутренней трубы с входным и выходным патрубками горячего теплоносителя обеспечивается уплотнениями. Таким образом, кинетическая энергия холодного теплоносителя используется для вращения внутренней трубы, турбулизации потоков теплоносителей в межтрубном пространстве, что позволяет увеличить интенсивность процессов теплообмена, снизить затраты металла на изготовление теплообменника. Плоские лопасти статора играют также роль ребер, за счет которых увеличивается поверхность теплопередачи. Спиралевидная проволока (3) имеет низкое гидравлическое сопротивление, что способствует снижению общего гидравлического сопротивления теплообменника.
Сущность предлагаемого теплообменника поясняется чертежами (фиг. 1-4). Перечень фигур:
Фиг. 1. Общий вид теплообменника.
Фиг. 2. Вид плосколопастного статора и плосколопастного ротора в сечении.
Фиг. 3. Общий вид плосколопастного ротора.
Фиг. 4. Общий вид плосколопастного статора.
На фиг. 1 приведен общий вид заявляемого теплообменника. На фиг. 2 приведен вид плосколопастного статора и плосколопастного ротора в сечении. На фиг. 3 приведен общий вид плосколопастного ротора. На фиг. 4 приведен общий вид плосколопастного статора.
Заявляемый теплообменник (фиг. 1) состоит из двух концентрических труб, внешней (1) и внутренней (2), турбулизатора в виде спиралевидной проволоки (3), плосколопастного статора (4), плосколопастного ротора (5), подшипников (6), уплотнений (7), неподвижного входного патрубка для холодного теплоносителя (8), неподвижного выходного патрубка для холодного теплоносителя (9), неподвижного входного патрубка для горячего теплоносителя (10), неподвижного выходного патрубка для горячего теплоносителя (11), фланцевого соединения (12). Плосколопастной статор (4) жестко устанавливается внутри внешней неподвижной трубы (1). Плосколопастной ротор (5) жестко устанавливается на внутренней трубе (2). Статор (4) и ротор (5) имеют плоские лопасти. К внутренней трубе (2) присоединяется жестко турбулизатор в виде спиралевидной проволоки (3). Внутренняя труба (2) лежит на двух подшипниках (6). Подшипники (6) располагаются на внутренней вращающейся трубе (2) между уплотнениями (7) (фиг. 1).
Предлагаемый теплообменник типа «труба в трубе», предназначенный для теплообмена между двумя теплоносителями, работает следующим образом. Холодный теплоноситель с высокой скоростью под давлением поступает через неподвижный патрубок (8) в межтрубное пространство теплообменника, проходит через каналы, образованные плоскими лопастями статора (4), приобретает направление, необходимое для вращения плосколопастного ротора (5), поступает на плоские лопасти ротора (5) и вращает плосколопастной ротор (5) вместе с внутренней трубой (2), установленной на подшипниках (6) (фиг. 1). Плосколопастной ротор (5) и статор (4) позволяют повысить частоту вращения внутренней трубы (2). Ротор (5) играет также роль оребрения на внутренней трубе (2) и способствует повышению площади теплообмена. Вращение внутренней трубы (2) приводит к турбулизации потоков холодного и горячего теплоносителей, и, как следствие, к повышению интенсивности теплоотдачи. Турбулизатор в виде спиралевидной проволоки (3), прикрепленный жестко к внутренней трубе (2), турбулизирует поток холодного теплоносителя, что приводит к увеличению интенсивности теплопередачи. По ходу потока холодного теплоносителя спиралевидная проволока расположена на внутренней трубе после плосколопастного ротора. Вследствие этого спиралевидная проволока взаимодействует с вращающимся потоком холодного теплоносителя, что приводит к образованию вихрей в потоке и турбулизации потока. Таким образом, кинетическая энергия потока холодного теплоносителя используется для вращения теплообменной поверхности, турбулизации потоков горячего и холодного теплоносителей, что позволяет интенсифицировать процесс теплопередачи. Теплопередача между горячим теплоносителем и холодным теплоносителем происходит через теплообменную поверхность - стенку внутренней трубы (2). Плосколопастной ротор (5), расположенный на внутренней трубе (2), вращается вместе с внутренней трубой (2), и закручивает поток холодного теплоносителя. Холодный теплоноситель выходит из межтрубного пространства через неподвижный патрубок (9). Таким образом, холодный теплоноситель проходит по межтрубному пространству, а горячий теплоноситель проходит по внутренней трубе, что необходимо для снижения тепловых потерь в окружающую среду. Горячий теплоноситель входит в неподвижный входной патрубок (10), проходит по вращающейся внутренней трубе (2), закручивается в результате взаимодействия со стенками вращающейся внутренней трубы (2), участвует в процессе теплопередачи и затем выходит из внутренней трубы (2) через неподвижный выходной патрубок (11). Уплотнения (7) не позволяют смешиваться горячему и холодному теплоносителям. Таким образом, кинетическая энергия холодного теплоносителя используется для вращения внутренней трубы (2), турбулизации потоков теплоносителей в межтрубном пространстве и во внутренней трубе (2), что позволяет интенсифицировать процесс теплопередачи и снизить материалоемкость теплообменника. Турбулизатор в виде спиралевидной проволоки (3), прикрепленный жестко к внутренней трубе (2), турбулизирует поток холодного теплоносителя и способствует увеличению интенсивности теплопередачи. Спиралевидная проволока (3) имеет низкое гидравлическое сопротивление, что способствует снижению общего гидравлического сопротивления теплообменника.
Таким образом, вращение внутренней трубы (2) приводит к увеличению турбулизации обоих теплоносителей, к интенсивному вихреобразованию в обоих теплоносителях, снижению толщины пристеночного (пограничного) слоя в обоих теплоносителях и, как следствие, к увеличению интенсивности теплопередачи от одного теплоносителя к другому. Увеличение интенсивности теплопередачи позволяет снизить поверхность теплообмена и, как следствие, снизить материалоемкость теплообменника.
Заявляемый теплообменник собирается следующим образом. Турбулизатор в виде спиральной проволоки (3) присоединяется жестко к внутренней трубе (2) с ее внешней стороны. На внутренней трубе (2) жестко устанавливается плосколопастной ротор (5), а также подшипник (6) с одного конца трубы (2), а на внешней трубе устанавливается жестко плосколопастной статор (4). Далее внутренняя труба (2) вставляется концентрически во внешнюю трубу (1), при этом подшипник (6) упирается в стенки внешней трубы (1). Далее в межтрубном пространстве устанавливается второй подшипник (6). Места соединения внутренней трубы (2) с неподвижными патрубками (10) и (11) герметизируются с помощью уплотнений (7). Затем жестко устанавливаются неподвижные торцевые крышки с фланцевыми соединениями (12).
ЛИТЕРАТУРА
1. Авторское свидетельство СССР №1273729, F28F 1/40, 13/12. Теплообменная труба / Н.А. Макаров, Р.С. Гайнутдинов, Ю.Ф. Коротков, В.Я. Суслов. Опубл. 30.11.86.
2. Патент РФ на изобретение №2121122. Теплообменник. Закиров Д.Г., Рыбин А.А. Опубл. 27.10.1998 г. Бюл. №30, 1998.
3. Щукин В.К. «Теплообмен и гидродинамика внутренних потоков в полях массовых сил», Машиностроение, 1970, с. 273-274].
4. Патент РФ на изобретение №2645861. Теплообменник типа «труба в трубе» с вращающейся трубой. Бальчугов А.В., Кустов Б.О., Бадеников А.В., Кузнецов К.А., Кузора И.Е. Опубл. 28.02.2018 г. Бюл. №7.