ТЕПЛООБМЕННИК ТИПА ТРУБА В ТРУБЕ
PIPE IN PIPE TYPE HEAT EXCHANGER

Изобретение относится к теплообменным устройствам, а точнее к теплообменным аппаратам типа труба в трубе, и может быть использовано в энергетике и транспорте, в частности в судовых теплообменных устройствах.
Из предшествующего уровня техники известны теплообменники типа труба в трубе, содержащие наружную трубу для первого теплоносителя с патрубками входа и выхода и замкнутыми на торцах, внутреннюю трубу для второго теплоносителя, также содержащую патрубки для входа и выхода (см. патент RU на полезную модель №125319, кл. МПК F28D 71/10), в котором первый теплоноситель движется внутри кольцевого канала, образованного наружной трубой и внутренней трубой.
Известны также теплообменники, в которых теплоноситель движется по кольцевому каналу типа диффузор-конфузор (см. П.И. Бажан, Г.Е. Каневец, В.М. Селиверстов. Справочник по теплообменным аппаратам. М.: Машиностроение, 1989 - 361 с. (стр. 71-72); Мигай В.К. Моделирование теплообменного энергетического оборудования. Л.: Энергоиздат, 1987. - 264 с. (стр. 238-239)).
Известны также теплообменные трубы, содержащие сопряженные конфузорно-диффузорные участки (см. патент RU 2111432, F28F 1/40, F28F 1/08).
Известны теплообменные пластины, содержащие конфузорно-диффузорные каналы для прохода теплоносителя (авт. свид. SU 1615536, F28F 3/04, F28D 9/00).
Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в интенсификации теплообмена при движении теплоносителя в кольцевом канале теплообменника типа труба в трубе, содержащего внутреннюю трубу, выполненную в виде диффузорно-конфузорных участков.
Поставленная задача решается за счет того, что внутренняя труба, содержащая конфузорные и диффузорные элементы, выполненные в виде боковых поверхностей усеченных конусов различной длины, соединенные между собой периметром малых и больших оснований этих конусов, на внешней стороне которых в кольцевом канале, образованном наружными боковыми поверхностями конусов и внутренней поверхностью наружной трубы теплообменника, которая выполняет роль кожуха, расположена тканая металлическая сетка, выполненная из проволок диаметром не более 2 мм, расположенная на среднем расстоянии не более 2 мм от наружной поверхности усеченных конусов. Металлическая сетка выполнена в виде отдельных усеченных конусов, скрепленных между собой металлическими скобами, содержащими термокомпенсационный зазор в месте крепления конусов. Конфузорно-диффузорные элементы сеток выполнены из проволок жаростойкой хромоникелиевой стали с различным коэффициентом живого сечения, изменяющегося как в пределах конфузорно-диффузорных зон, так и по длине теплообменника в целом, причем средний коэффициент живого сечения отдельных элементов сеток возрастает в направлении движения потока, а средний размер ячеек увеличивается. Величина диффузорной части каждого сетчатого элемента больше конфузорной в направлении движения потока и увеличивается предпочтительно не менее чем в два раза. Сетчатые элементы находятся на различном расстоянии от поверхности внутренней трубы и расположены на расстоянии не более толщины динамического пограничного слоя потока теплоносителя. Предпочтительно отдельные сетчатые элементы имеют слабую форму гофрированности, за счет которой выдерживается среднее расстояние расположения сетчатой поверхности по отношению к внешней поверхности внутренней трубы, причем это расстояние не превышает толщины пограничного слоя, т.е. высота гофр не должна быть более удвоенного значения толщины пограничного слоя. При этом выступы гофр находятся в контакте с поверхностью внутренней трубы теплообменника.
Достигаемый технический результат заключается в дополнительной турбулизации потока в пристенной области при одновременном уменьшении гидравлического сопротивления потока.
Изобретение поясняется чертежами частного случая выполнения.
На фиг. 1. Теплообменник типа труба в трубе.
На фиг. 2. Крепление конфузорно-диффузорных элементов между собой.
Теплообменник содержит наружную трубу 1 цилиндрического сечения, вьшолняющую роль кожуха теплообменника, содержащую входной 2 и выходной 3 патрубки для подвода и отвода первого теплоносителя, а также внутреннюю трубу 4, имеющую также входной 5 и выходной 6 патрубки для подвода и отвода второго теплоносителя. Внутренняя труба 4 имеет диффузорно-конфузорные элементы 7 герметично и жестко скрепленные между собой, причем диффузорная зона 8 не менее чем в 2 раза длиннее конфузорной зоны 9. Снаружи диффузорно-конфузорных элементов расположена металлическая сетка, выполненная в виде отдельных конфузорно-диффузорных элементов 10 на расстоянии, не превышающем толщину пограничного слоя движущегося теплоносителя. Коэффициент живого сечения в пределах каждого конфузорно-диффузорного элемента изменяется, причем средний коэффициент живого сечения каждого элемента увеличивается в сторону движения первого теплоносителя. Скрепление диффузно-конфузорных сетчатых элементов 10 выполняется подвижным с термокомпенсационной щелью 11 с помощью металлических скоб 12. Предпочтительно, сетчатая поверхность имеет гофрированность, причем она находится в контакте смежными выступами гофр с наружной поверхностью сплошного конфузорно-диффузорной зоны 7 внутренней трубы 4.
Сетчатые конфузорно-диффузорные элементы изготавливаются следующим образом. Изготавливаются из полотна тканой металлической сетки цилиндры путем контактной сварки. Длина цилиндров определяется длиной диффузорных или конфузорных элементов. Изготовленный сетчатый цилиндр помещают в пуассон в виде конусов и методом давления изготавливают конфузорную или диффузорную часть элемента. При этом проволоки, расположенные по утку, растягиваются, а проволоки, расположенные по основе, изгибаются, изменяя коэффициент живого сечения и размер ячейки сетки в свету.
Применяя другую металлическую сетку с другим коэффициентом живого сечения и повторяя те же операции, производится другой конфузорно-диффузорный элемент. Конфузоры и диффузоры каждого элемента жестко скрепляются в их минимальном сечении с помощью контактной сварки. При изготовлении теплообменника на внутреннюю трубу конфузорно-диффузорного типа одеваются предварительно разрезанные по длине сетчатые конфузорно-диффузорные элементы, которые скрепляются в зоне разреза с помощью колец, изготовленных из проволоки. Сами сетчатые конфузорно-диффузорные элементы 10 на трубе скрепляются подвижным соединением с помощью металлических скоб 12.
Смонтированная таким образом внутренняя труба помещается внутрь наружной и закрепляется на торцах.
Работа устройства осуществляется следующим образом. При движении первого теплоносителя по кольцевому каналу, образованному внутренней трубой 4 и наружной трубой 1, среда теплоносителя перемещается в щель между сетчатым конфузорно-диффузорным элементом 10, находящимся в области пограничного слоя и поверхностью внутренней трубы 4, и турбулизирует поток. Вследствие принудительной турбулизации величина ламинарного подслоя уменьшается, тем самым увеличивается теплоотдача от внутренней трубы 4 к теплоносителю. При движении первого теплоносителя его средняя по сечению потока температура увеличивается, вследствие чего увеличивается его вязкость. Так как при этом уменьшается плотность, то также увеличивается скорость движения теплоносителя. С увеличением скорости и вязкости возрастает гидравлическое сопротивление, что приводит к уменьшению скорости движения теплоносителя в зоне между металлической сеткой и внешней поверхностью, это уменьшает передачу тепла от внутренней трубы потоку. Следующий по направлению потока диффузорно-конфузорный элемент имеет средний коэффициент живого сечения, больший предыдущего, и обладает меньшим гидравлическим сопротивлением, вследствие чего скорость в зоне между сетчатым элементом и трубой возрастает, что приводит к увеличению скорости движения теплоносителя, обтекающего проволоки сетки, и соответственно компенсирует уменьшение теплоотдачи за счет увеличения вязкости нагреваемой среды. При нагреве сетчатых конфузорно-диффузорных элементов проволоки сетки удлиняются и сетка деформируется, при этом изменяется расстояние между сеткой и поверхностью трубы. Она выходит за пределы пограничного слоя. Однако вследствие наличия щелей между сетчатыми конфузорно-диффузорными элементами и скоб увеличение размеров сетки не приводит к ее короблению. При наличии гофрированности, сетка упирается выступами гофр в поверхность внутренней трубы, тем самым сохраняя положение и зазор между сетчатым элементом и поверхностью трубы.
Таким образом, заявленная конструкция теплообменника позволяет интенсифицировать теплоотдачу и более эффективно передавать тепловую энергию от горячего теплоносителя к холодному.