ТЕПЛООБМЕННИК "ТРУБА В ТРУБЕ"

Техническое решение относится к теплообменному оборудованию типа «труба в трубе», которое может найти применение в химической, нефтехимической, машиностроительной, атомной, энергетической, судостроительной, медицинской и других отраслях промышленности.
Известен теплообменник типа труба в трубе для жидких и газообразных сред, содержащий концентрично расположенные в цилиндрическом корпусе теплообменную трубу и наружный турбулизатор, делящий межтрубное пространство на входную и выходную полости и имеющий на поверхности отверстия, служащие вводом среды в полость между теплообменной трубой и наружным турбулизатором, отличающийся тем, что в теплообменной трубе концентрично расположен внутренний турбулизатор, делящий межтрубное пространство на входную и выходную полости и имеющий на поверхности отверстия, служащие вводом среды в полость между теплообменной трубой и внутренним турбулизатором (патент РФ №2502930, F28F 1/00, 27.12.2013 г.).
Недостатком данного технического решения является сложность обеспечения герметичности шести уплотнений при высоком давлении, а так как три уплотнения из этих шести находятся внутри теплообменника, то их сложно контролировать и в случае потери герметичности теплоносители могут смешаться друг с другом.
Известна конструкция двухтрубного теплообменника с компенсирующими устройствами, состоящего из наружной и внутренней теплообменных труб и элементов их соединения в вертикальный ряд - секцию. При этом внутренние трубы соединяют между собой калачами, а наружные - штуцерами с фланцевыми креплениями. Звенья секций крепятся скобами к металлическому каркасу, сваренному из уголков, швеллеров и косынок. Кольцевую щель между трубами уплотняют с помощью сальника. Последний состоит из фланца, стакана сальниковой набивки и прижимной втулки. При затяжке шпилек втулка сжимает набивку, которая герметизирует кольцевой канал (Шаповалов, Ю.Н. Машины и аппараты общехимического назначения: учеб. пособие / Ю.Н. Шаповалов, B.C. Шеин. - Воронеж: Изд-во ВГУ, 1981. - С. 110-111).
Недостатком данной конструкции является сложность обеспечения герметичности кольцевой щели между трубами с помощью набивки, особенно при высоком давлении рабочей среды в межтрубном пространстве.
Известен теплообменник «труба в трубе», содержащий наружную трубу с тангенциально расположенными патрубками входа и выхода одного теплоносителя, внутреннюю теплообменную трубу для другого теплоносителя, спиральную ленту с упорами на обоих концах, установленную во внутренней теплообменной трубе с возможностью вращения и возвратно-поступательного перемещения в подшипниковых опорах, пружины, размещенные каждая на конце спиральной ленты между упором и подшипниковой опорой, крыльчатку, установленную на внутренней теплообменной трубе напротив патрубка входа теплоносителя наружной трубы с возможностью вращения, и пружину, установленную за крыльчаткой коаксиально на внутренней теплообменной трубе и соединенную с крыльчаткой, причем наружная и внутренняя теплообменные трубы соединены между собой разъемно посредством 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 (патент на полезную модель РФ №56580, F28F 1/00, 10.09.2006 г.).
Недостатками данной конструкции является сложность обеспечения герметичности уплотнения в стакане, так как болтовое соединение съемного фланца не может обеспечить одновременно герметичность прокладки и уплотнения между съемным стаканом и концом трубы, а также при высоком давлении и износе уплотнения может произойти смешение теплоносителей.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявляемому объекту и принятому за прототип является теплообменник «труба в трубе», содержащий 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, имеющей на наружной поверхности резьбу, на которую для дополнительной герметизации съемного фланца установлена гайка, при этом съемный фланец установлен со скользящей посадкой на втулке, а между съемным фланцем и гайкой установлен сальник, причем отношение наружного диаметра втулки и внутреннего диаметра наружной трубы составляет
,
где d - наружный диаметр втулки, м;
D - внутренний диаметр наружной трубы, м (патент на полезную модель РФ №154481, F28F 1/00, F28D 7/10, 27.08.2015 г.).
Недостатком данного теплообменника является то, что внутренняя теплообменная труба с обеих сторон на выходах из наружной трубы имеет сужение, после которого расположены патрубки с меньшим диаметром для установки фланцевого соединения с коленом, соединяющим одну секцию теплообменника с другой. Необходимость уменьшения диаметра внутренней теплообменной трубы вызвана тем, что для того, чтобы обеспечить разъемность конструкции теплообменника, наружный диаметр соединяющегося с коленом фланца должен быть меньше внутренних диаметров резьбы фиксирующей гайки, съемного фланца и наружной трубы. Изменение проходных сечений приводит к повышению энергетических затрат на транспортировку теплоносителя за счет увеличения гидравлического сопротивления, появления застойных зон и вероятности дополнительного образования различных отложений. Также наличие уменьшенных проходных сечений ухудшает условие ремонтных работ, осмотра, чистки внутренней поверхности трубы.
Техническим результатом предлагаемой конструкции теплообменника «труба в трубе» является упрощение его обслуживания, заключающегося в осмотре и очистке поверхности труб и проведении ремонтных работ.
Технический результат достигается тем, что в теплообменнике «труба в трубе», содержащий 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 и установлен со скользящей посадкой на втулке, неразъемно закрепленной на одном конце внутренней теплообменной трубы соосно с ней, и снабженной гайкой для дополнительной герметизации съемного фланца, а между съемным фланцем и гайкой установлен сальник, при этом внутренняя теплообменная труба выполнена с постоянным диаметром, равным диаметру колена, соединяющего секции теплообменника, съемный фланец и неразъемно соединенный с наружной трубой фланец выполнены с возможностью непосредственного присоединения к ответным фланцам колен, соединяющих секции теплообменника.
Изготовление съемного фланца, установленного со скользящей посадкой на втулке, и фланца, неразъемно закрепленного на противоположном конце наружной трубы с уплотнительными поверхностями с обоих торцов, позволяет с использованием прокладок и болтового соединения непосредственно присоединять ответные фланцы колен, соединяющих секции теплообменника. Это исключает необходимость уменьшения диаметра трубы соединительного колена и позволяет выполнить его равным диаметру внутренней трубы теплообменной секции, что уменьшает гидравлическое сопротивление и, соответственно, снижает энергетические затраты теплообменника на транспортировку теплоносителя.
На рисунке представлен общий вид предлагаемой конструкции теплообменника «труба в трубе».
Теплообменник «труба в трубе» состоит из наружной трубы 1 с патрубками входа 2 и выхода 3 одного теплоносителя, внутренней теплообменной трубы 4, фланца 5 с уплотнительными поверхностями с обоих его торцов, неразъемно соединенного с внутренней теплообменной трубой 4 на одном ее конце и втулки 6, имеющей резьбу на наружной поверхности, неразъемно и соосно закрепленной на другом конце внутренней теплообменной трубы 4. На одном конце наружной трубы 1 установлен неразъемный с ней фланец 7, а на другом конце наружной трубы 1 установлен неразъемный с ней фланец 8. На втулке 6 установлен со скользящей посадкой съемный фланец 9 с уплотнительными поверхностями с обоих его торцов. Снаружи на резьбу втулки 6 навинчена гайка 10. Для герметизации сопряженных поверхностей втулки 6, съемного фланца 9 и гайки 10 между ними установлен сальник 11. Соединяющие секции теплообменника колена 12 и 13 снабжены ответными фланцам 14 и 15. Между фланцами 5, 7, 8, 9, 14, 15 установлены прокладки 16, 17, 18, 19, которые с помощью болтовых соединений 20, 21 обеспечивают герметизацию и жесткость теплообменной секции.
Сборку теплообменника «труба в трубе» осуществляют следующим образом.
Устанавливают прокладку 18 на фланце 7. Устанавливают наружную трубу 1 на внутреннюю трубу 4, продвигая ее слева направо до фланца 5. Устанавливают прокладку 19 между фланцом 5 внутренней трубы 4 и фланцом 15 соединительного колена 13 и герметично уплотняют соединения между фланцами 7, 5, 15 с помощью болтового соединения 21.
На фланец 8 устанавливают прокладку 17. Сальник 11 устанавливают на втулку 6 и на нее устанавливают съемный фланец 9 со скользящей посадкой до контакта его с фланцем 8. Закручивая гайку 10, герметизируют сопряженную с втулкой скользящую поверхность съемного фланца 9 и соединение между фланцами 8 и 9.
Между фланцем 9 и фланцем 14 соединительного колена 12 устанавливают прокладку 16 и герметично уплотняют соединения между фланцами 8, 9, 14 с помощью болтового соединения 20.
Разборку теплообменника «труба в трубе» ведут в обратном порядке. Раскручивают болтовые соединения 20 и 21, снимают колена 12 и 13, соединяющие секции теплообменника. Раскручивая гайку 10, снимают съемный фланец 9. Снимают наружную трубу 1 с внутренней трубы 4, продвигая ее справа налево. При необходимости очищают наружную и внутреннюю теплообменные поверхности внутренней трубы 4 и внутреннюю поверхность наружной трубы 1 известными методами (щетками, гидроабразивной или пескоструйной обработкой и др.).
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет упростить процесс сборки (разборки) конструкции теплообменника «труба в трубе», при этом улучшая условия проведения ремонтных работ, осмотра и чистки поверхности труб, а также уменьшает энергетические затраты на транспортировку теплоносителя по внутренней теплообменной трубе за счет снижения гидравлического сопротивления.