ТЕПЛООБМЕННИК "ТРУБА В ТРУБЕ"

Предлагаемое техническое решение относится к теплообменному оборудованию и может быть использовано в энергетических и теплотехнических устройствах, химико-технологическом и экологическом оборудовании, холодильной технике и изделия машиностроительного производства.
Известны конструкции теплообменников «труба в трубе», в которых увеличение интенсивности теплообмена между горячим и холодным теплоносителями достигается за счет увеличения общей теплообменной поверхности одной или обеих сторон граничной поверхности. Неизбежное при этом изменение геометрической формы теплообменной поверхности изменяет и гидродинамическую обстановку в потоках теплоносителя, которая, как известно, оказывает существенное влияние на интенсивность теплового взаимодействия между потоками теплоносителя и поверхности теплообмена.
Известны теплообменники «труба в трубе», содержащие коаксиально расположенные наружную и внутреннюю трубы, при этом внутренняя труба оснащена продольными ребрами (Справочник по теплообменникам: В 2-х т. Т. 2 / Пер. с англ. Под ред. О.Г. Мартыненко и др. - М.: Энергоиздат, 1987. - 352 с.; Патент RU 151825, МПК F28D 7/00, 20.04.2015).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится снижение эффективности теплообмена с увеличением количества ребер, так как при этом снижается степень турбулизации потока теплоносителя, протекающего в узких межреберных каналах, увеличивается количество застойных зон, что приводит к снижению интенсивности теплоотдачи между потоками теплоносителя и поверхностью ребер.
Известен теплообменник «труба в трубе» (во внутренней трубе и) в межтрубном пространстве которого установлены винтовые вставки, при этом (трубное и) межтрубное пространство представляют собой винтовые полости, а винтовые вставки в местах соединения со стенкой внутренней трубы имеют минимальное термическое сопротивление, а потоки теплоносителя протекают по винтовой спиралям (Патент RU 2502931, МПК F28F 1/42, 20.06.2013).
Винтовое оребрение позволяет увеличить скорость течения и турбулизировать поток теплоносителя в винтовых межреберных каналах, способствуя тем самым к увеличению коэффициента теплоотдачи. Однако, создание винтовых закрученных потоков требует повышенных энергетических затрат и имеет ограничения при увеличении поверхности теплообмена винтовых вставок путем уменьшения шага их закрутки, так как гидравлическое сопротивление теплообменника при этом становится чрезмерно большим, в связи с его опережающим ростом, что не обеспечивает существенной интенсификации теплообмена.
Наиболее близким технических решением по совокупности признаков к заявляемому объекту является теплообменник «труба в трубе», содержащий наружную трубу для первого теплоносителя с патрубками входа и выхода и заглушками на торцах, внутреннюю трубу для второго теплоносителя с продольными ребрами, кольцевые распределительные камеры на входе и выходе, при этом он снабжен двумя кольцевыми перегородками, установленными на внутренней трубе с зазором между ними и наружной трубой, каждая распределительная камера образована заглушкой и соответствующей кольцевой перегородкой, снабженной отверстиями, расположенными между продольными ребрами внутренней трубы, которые выполнены в виде пластин, закрепленных на внутренней трубе с зазором между ними и наружной трубой, а на торцах внутренней трубы установлены присоединительные элементы (Патент RU 125319, МПК F28D 7/10, 27.02.2013).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата с увеличением количества ребер с целью увеличения поверхности теплообмена, так как при этом снижается степень турбулизации потока теплоносителя, протекающего в узких межреберных каналах, что приводит к снижению интенсивности теплоотдачи между потоками теплоносителя и поверхностью ребер
Наличие кольцевых распределительных камер с отверстиями в кольцевых перегородках позволяет распределять потоки теплоносителя в межтрубном пространстве равномерно по всем межреберным каналам, что создает одинаковые гидродинамические условия для теплообменных процессов по всей граничной поверхности, разделяющей горячий и холодной теплоносители, однако при этом увеличение поверхности теплообмена путем увеличения количества ребер за счет уменьшения расстояния между ними не приведет к ожидаемому пропорциональному увеличению теплообмена, Это объясняется тем, что увеличение количества ребер с целью повышения эффективности теплообмена соряженно со снижением числа Рейнельдса при течении теплоносителя в узких межреберных каналах, сопровождаемые уменьшением коэффициента теплоотдачи в потоке теплоносителя на границе его соприкосновения с поверхностью ребер, причем уменьшение коэффициента теплоотдачи будет тем заметнее, чем выше будет вязкость жидкости. Кроме снижения коэффициента теплоотдачи, течение теплоносителя в узких межреберных каналах приведет к повышению гидравлического сопротивления на участке между распределительными камерами и увеличению не участвующего в теплообмене кольцевого при стенного потока. Теплоносителя в зазоре между внутренней поверхностью наружной трубы и кольцевыми перегородками и ребрами, что будет способствовать снижению эффективности теплообмена. Таким образом, снижение интенсивности теплоотдачи при течении теплоносителя в щелевых межреберных каналах даже при его равномерном распределении по всем межреберным каналам, является фактором ограничивающим возможности увеличения плотности оребрения для повышения интенсивности теплообмена между горячим и холодным теплоносителем в теплообменнике «труба в трубе».
Техническим результатом предлагаемой конструкции является увеличение эффективности теплообмена в межтрубном пространстве теплообменника «труба в трубе».
Поставленный технический результат достигается тем, что в теплообменнике «труба в трубе», содержащем наружную трубу с патрубками входа и выхода и заглушками на торцах, внутреннюю трубу, продольные ребра, установленные между внутренней и наружной трубой на равном расстоянии друг от друга, распределительные камеры, образованные заглушками и установленными между внутренней и наружной трубой кольцевыми перегородками с выполненными на них на равном расстоянии друг от друга прилегающими к внутренней трубе отверстиями, при этом продольные ребра выполнены из пористого проницаемого теплопроводного материала, кольцевые перегородки установлены с взаимным угловым смещением равным углу между продольными ребрами, а количество продольных ребер и количество отверстий на каждой кольцевой перегородке соотносится как 2:1.
Выполнение продольных ребер из пористого проницаемого теплопроводного материала, при течении теплоносителя вдоль их поверхности, обеспечивает одновременную возможность поперечного фильтрационного течения теплопроводного материала сквозь поры ребер. При этом теплообмен между теплоносителем и ребром будет осуществляться как при его течении вдоль боковой граничной ребра, так и при его фильтрационном течении вдоль поверхности внутри порового пространства. Суммарная величина поверхности теплообмена такого ребра будет равна сумме его боковых поверхностей, за исключением ее части занятой порами и поверхности внутри порового пространства, вследствие чего интенсивность теплообмена в этом ребре будет выше, чем в ребре выполненном из сплошного метала.
Кроме того, при фильтрационном течении теплоносителя сквозь пористое ребро с произвольной пористой структурой, например, при его выполнении из металлокерамики, будет происходить турбулизация потока способствующая интенсификации теплообмена, а при изготовлении ребра из перфорированного металлического листа будет происходить увеличение коэффициента теплоотдачи, необходимое на участке стабилизации потока теплоносителя втекающего в теплообменный канал, что будет способствовать увеличению среднего значения коэффициента теплоотдачи при течении теплоносителя в цилиндрической поре ребра.
Установка кольцевых перегородок с взаимным угловым смещением относительно отверстий, равным углу между продольными ребрами, перекрывает смежные межреберные каналы с противоположных сторон, предотвращая транзитные течения теплоносителя по межреберным каналам и заставляя теплоноситель, втекающий в межреберные каналы через отверстия в кольцевой перегородке, установленной со стороны подачи теплоносителя в межтрубное пространство, перетекать сквозь нагретые пористые проницаемые ребра в смежные межреберные каналы, из которых он и вытекает через отверстия в кольцевой перегородке, установленной со стороны отвода теплоносителя из теплообменника.
При этом необходимым условием для обеспечения работоспособности предлагаемой конструкции теплообменника «труба в трубе» является соотношение количества продольных ребер, установленных между внутренней и наружной трубой без зазоров и на равном расстоянии друг от друга, и количества отверстий, выполненных на равном расстоянии друг от друга в кольцевых перегородках, также установленных между внутренней и наружной трубой без зазоров. Количество продольных ребер и количество отверстий на каждой кольцевой перегородке соотносится как 2:1.
Плотное соприкосновение пористых ребер и кольцевых перегородок с внутренней поверхностью наружной трубы предотвращает протекание между смежными каналами, вне его фильтрационного течения через нагретый пористые ребра.
Таким образом, выполнение продольных ребер из пористого проницаемого теплопроводного материала при условии соблюдения соотношения их количества с количеством отверстий в кольцевых перегородках, и установки последних с угловым смещением относительно друг друга, позволяет увеличить эффективность теплообмена в межтрубном пространстве теплообменника «труба в трубе» не только за счет увеличения поверхности теплообмена но и дополнительно за счет возможностей увеличения коэффициента теплоотдачи при фильтрационном течении теплоносителя сквозь нагретые ребра.
На фиг. 1 изображен теплообменник «труба в трубе», общий вид, на фиг. 2 - поперечное сечение теплообменника «труба в трубе» в пределах кольцевой распределительной камеры, на фиг. 3 - поперечное сечение теплообменника «труба в трубе» в пределах оребрения.
Теплообменник «труба в трубе» состоит из наружной трубы 1 с патрубками входа 2 и выхода 3 в предназначенными для подвода и отвода первого теплоносителя. Внутри наружной трубы 1 соосно с ней расположена внутренняя труба 4 с патрубками 5 и 6 для подвода в трубу и отвода из нее другого теплоносителя. Наружная 1 и внутренняя 2 трубы соединены заглушками 7 и 8.
Между внутренней 4 и наружной 1 трубой на равном расстоянии друг от друга (равномерно по окружности), зазоров, установлены продольные ребра 9, выполненные из пористого проницаемого теплопроводного материала. С наружной поверхностью внутренней трубы 4 ребра соединены с совершенным тепловым контактом с помощью сварки или пайки, а с внутренней поверхностью наружной трубы 1 соприкасаются плотно (без зазора).
С торцевых сторон к ребрам 9 примыкают установленные и закрепленные на внутренней трубе 4, плотно (без зазора) соприкасающееся с внутренней поверхностью наружной трубы 1 кольцевые перегородки 10 и 11, с выполненными на них на равном расстоянии друг от друга (равномерно по окружности) прилегающими к внутренней трубе 4 отверстиями 12 и 13 соответственно. Количество отверстий в каждой кольцевой перегородки в два раза меньше числа продольных ребер.
Заглушки 7 и 8 с соответствующими кольцевыми перегородками 10 и 11 образуют в межтрубном пространстве распределительные камеры 14 и 15, сообщающиеся через отверстия 12 и 13 в кольцевых перегородках 10, 11 с межреберными каналами.
Кольцевые перегородки 10, 11 установлены на внутренней трубе 4 с взаимным угловым смещением отверстий 12, 13 равным углу между ребрами 9. При таком взаимном угловом смещении кольцевых перегородок 10, 11 смежные межреберные каналы оказываются перекрытыми с противоположных сторон, а с других сторон, оставшихся не перекрытыми, сообщаются через отверстия 12, 13 в кольцевых перегородках 10, 11 с соответствующими распределительными камерами 14, 15.
Теплообменник «труба в трубе» работает следующим образом.
Горячий теплоноситель, протекающей во внутренней трубе 4 охлаждается холодным теплоносителем, поступающим в распределительную камеру 14 через патрубок 2. В камере 14 холодный теплоноситель равномерно распределяется по межреберным каналам, сообщающимся с распределительной камерой 14 через отверстия 12, сквозь которые он поступает в эти каналы. Так как эти межреберные каналы перекрыты с противоположной стороны и отсутствуют зазоры между вершинами пористых ребер 9 и внутренней поверхностью наружной трубы 1, то под действием разности давления между этими и смежными каналами холодный теплоноситель через пористые проницаемые ребра 9 перетекает в смежные каналы в условиях фильтрационного течения. Смежные межреберные каналы, в которые поступает теплоноситель, протекающий сквозь пористые проницаемые ребра 9, заглушены со стороны распределительной камеры 14 и сообщаются через отверстия 13 в кольцевой перегородке 11 с распределительной камерой 15, в которую и вытекает теплоноситель из межреберных каналов, а затем и выводиться через патрубок 3.
При фильтрационном течении холодного теплоносителя сквозь нагретые пористые проницаемые ребра 9 и его течении вдоль их поверхностей теплоноситель нагревается.
Высокая суммарная поверхность теплообмена пористых проницаемых ребер 9 увеличивает интенсивность теплообмена между горячим и холодным теплоносителем. При фильтрационном течении теплоносителя имеет место турбулизация потока, что способствует интенсификации теплообмена. Следует иметь в виду, что поверхность внутренней трубы 4 так же участвует в теплообмене. Все это в сумме и обеспечивает высокую эффективность теплообмена в теплообменнике при продольном оребрении межтрубной поверхности ребрами 9, изготовленными из пористого проницаемого теплопроводного материала.
Таким образом, выполнение продольных ребер из пористого проницаемого теплопроводного материала при условии соблюдения соотношения их количества с количеством отверстий в каждой кольцевой перегородке, и установки последних с угловым смещением относительно друг друга, увеличивает эффективность теплообмена в межтрубном пространстве теплообменника «труба в трубе».