ТЕПЛООБМЕННИК "ТРУБА В ТРУБЕ"

Предлагаемое техническое решение относится к теплообменному оборудованию типа «труба в трубе», которое может найти применение в химической, нефтехимической, машиностроительной, металлургической, атомной, энергетической, медицинской и других отраслях промышленности.
Известна конструкция двухтрубного теплообменника, состоящего из нескольких последовательно соединенных трубчатых элементов, образованных двумя концентрически расположенными трубами, при этом один теплоноситель движется по внутренним трубам, другой - по кольцевому зазору между внутренними и наружными трубами. Внутренние трубы соединяются калачами, а наружные трубы - патрубками (Касаткин, А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии: учеб. для вузов / А.Г.Касаткин. - 14-е изд., стереотипное - М.: ООО ИД «Альянс», 2008. - С.331).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится невысокая скорость теплопереноса из-за образующихся отложений на наружной поверхности внутренней трубы (накипи, солевого камня и др.) и сложностью удаления этих отложений при эксплуатации известной конструкции двухтрубного теплообменника.
Известна конструкция двухтрубного теплообменника с компенсирующими устройствами, состоящего из наружной и внутренней теплообменных труб и элементов их соединения в вертикальной 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., Шеин В.С. Машины и аппараты общехимического назначения: Уч. пособие - Воронеж: Изд-во ВГУ, 1981. - С.110-111).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится невысокая скорость теплопереноса из-за образующихся отложений, накипи, солевого камня и др. на наружной поверхности внутренней трубы и сложности очистки кольцевого пространства между трубами от этих отложений.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков и принятым за прототип является 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, при этом наружная и внутренняя теплообменные трубы соединены между собой разъемно посредством фланцев и болтового соединения, причем 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, 2006 г.).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная скорость теплопереноса из-за образующихся отложений (накипи, солевого камня, смолистых веществ, продуктов термической и химической деструкции, заиливания в результате жизнедеятельности микроорганизмов) на наружной теплопередающей поверхности внутренней трубы и сложности их удаления.
Техническим результатом предлагаемой конструкции теплообменника «труба в трубе» является увеличение скорости теплопереноса через теплопередающую наружную поверхность внутренней трубы за счет периодической очистки образующихся отложений на этой поверхности при разборке с разделением наружной и внутренней труб друг от друга.
Поставленный технический результат достигается тем, что в теплообменнике «труба в трубе», содержащем 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 на одном конце внутренней теплообменной трубы установлен неразъемно малый фланец, соединенный с помощью шпилек с внутренним фланцем наружной трубы, причем отношение внешнего диаметра малого фланца внутренней теплообменной трубы и внутреннего диаметра наружной трубы составляет
,
где d - внешний диаметр малого фланца внутренней теплообменной трубы,
D - внутренний диаметр наружной трубы.
Установка малого фланца неразъемно на одном конце внутренней теплообменной трубы и соединение его с внутренним фланцем наружной трубы с помощью шпилек позволяет легко и герметично устанавливать и снимать наружную трубу с внутренней теплообменной трубы, обеспечивая свободный доступ к загрязненной ржавчиной, солевым камнем, продуктами деструкции или жизнедеятельности микроорганизмов, которые несложно удалять известными методами, например, пескоструйной или наждачной обработкой. Это снижает термическое сопротивление наружной теплопередающей поверхности внутренней теплообменной трубы и увеличивает скорость теплопереноса.
Уменьшение отношения  ниже заявляемого в выражении (1) условия <0,95 приводит к сложности завинчивания и отвинчивания гаек на шпильках внутреннего фланца наружной трубы из-за их возможного соприкосновения с поверхностью наружной трубы.
Увеличение отношения  выше заявляемого в выражении (1) условия >0,98 приводит к сложностям при монтаже и демонтаже наружной трубы из-за малого кольцевого зазора между внешним диаметром малого фланца внутренней теплообменной трубы и внутренней поверхностью наружной трубы.
Таким образом, установка на одном конце внутренней теплообменной трубы неразъемного малого фланца и его соединение посредством шпилек с внутренним фланцем наружной трубы при указанном в условии (1) соотношении внешнего диаметра малого фланца внутренней теплообменной трубы и внутреннего диаметра наружной трубы позволяет интенсифицировать теплоперенос через наружную теплопередающую поверхность внутренней теплообменной трубы за счет периодического удаления с нее термических отложений при отделении друг от друга наружной и внутренней труб.
На фиг. представлен общий вид предлагаемой конструкции теплообменника «труба в трубе».
Он состоит из наружной трубы 1 с патрубками входа 2 и выхода 3 одного теплоносителя, внутренней теплообменной трубы 4 с патрубками входа 5 и выхода 6 другого теплоносителя, фланца 7, неразъемно соединенного с внутренней теплообменной трубой 4 на одном ее конце, и малого фланца 8, также неразъемно соединенного с внутренней теплообменной трубой 4 на другом ее конце. На одном конце наружной трубы 1 установлен неразъемно с ней фланец 9, соединенный с фланцем 7 через прокладку 10 болтовым соединением 11. На другом конце наружной трубы 1 установлен неразъемно с ней внутренний фланец 12, соединенный через прокладку 13 шпильками 14 с малым фланцем 8 внутренней теплообменной трубы 4, при этом внешний диаметр d малого фланца 8 и внутренний диаметр D наружной трубы 1 подчиняются условию (1).
Сборку теплообменника «труба в трубе» осуществляют следующим образом. Устанавливают прокладку 10 на фланец 7 и прокладку 13 на шпильки 14 малого фланца 8. «Одевают» наружную трубу 1 на внутреннюю теплообменную трубу 4, продвигая ее слева направо до фланца 7. Завинчивают гайки болтов 11, герметично уплотняя фланцы 7 и 9 на прокладке 10. Завинчивают гайки шпилек 12, герметично уплотняя фланцы 8 и 12 на прокладке 13. Подают по патрубку 2 один теплоноситель в межтрубное пространство труб 1 и 4, а по патрубку 5 другой теплоноситель во внутреннюю теплообменную трубу 4 и отводят эти теплоносители соответственно по патрубкам 3 и 6.
Для периодического удаления отложений накипи, солевого камня, продуктов деструкции, ржавчины, и др. с наружной теплопередающей поверхности внутренней теплообменной трубы 4 прекращают подачу обоих теплоносителей по патрубкам 2 и 5, отвинчивают гайки с болтов 11 и шпилек 14 и снимают наружную трубу 1 с внутренней теплообменной трубы 4, продвигая наружную трубу 1 справа налево. Очищают известными методами (щетками, пескоструйной обработкой) наружную теплопередающую поверхность внутренней теплообменной трубы 4, что уменьшает термическое сопротивление и после сборки наружной трубы 1 с внутренней теплообменной трубой 4 (как сказано выше) возобновляют работу теплообменника. Так как внешний диаметр d малого фланца 8 меньше внутреннего диаметра D наружной трубы 1 и подчиняется условию (1), то сборку наружной и внутренней труб друг с другом и их разборку осуществлять несложно, при этом термическое сопротивление наружной поверхности внутренней теплообменной трубы 4 после удаления загрязнений значительно уменьшается, а интенсивность теплопереноса возрастет.
Таким образом, неразъемная установка на одном конце внутренней теплообменной трубы малого фланца и соединение его посредством шпилек с внутренним фланцем наружной трубы, так что отношение внешнего диаметра малого фланца внутренней теплообменной трубы к внутреннему диаметру наружной трубы подчиняется условию (1), позволяет легко и быстро отделять друг от друга наружную и внутреннюю трубы, очищать от загрязнений теплопередающую наружную поверхность внутренней теплообменной трубы известными методами. Такая периодическая очистка теплопередающей наружной поверхности внутренней теплообменной трубы от загрязнений уменьшает термическое сопротивление, что способствует увеличению скорости теплопереноса.