УСТРОЙСТВО ТРУБЫ ДЛЯ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

Полезная модель относится к теплообменным устройствам, а точнее к элементу зоны теплообмена в теплообменных аппаратах типа труба в трубе, и может быть использована в энергетике и транспорте, в частности в судовых теплообменных устройствах.
Известно изобретение теплообменника типа труба в трубе, в котором для создания более благоприятных условий для теплообмена между текущими жидкостями через поверхность их разделяющую предложено средство создания условий турбулентного движения потока жидкости (см. патент RU на изобретение №2578788, опубл. 27.03.2016, кл. МПК F28F 13/00, см. патент RU на изобретение №2377490, опубл. 27.12.2009, кл. МПК F28F 1/10, F28F 1/42). Недостатком таких решений можно отметить то, что, позволяя активизировать скорость теплообмена через поверхность, они не приводят к существенному увеличению массовой скорости теплообмена, которая является важной характеристикой скоростных теплообменных аппаратов.
Известно изобретение теплообменника типа труба в трубе, в котором более благоприятная ситуация для теплообмена между текущими жидкостями через поверхность их разделяющую предложена, как следует из формулы изобретения и представленных рисунков, введением по одной винтовой вставке во внутренней трубе и межтрубном пространстве, каждая из вставок имеет сварное соединение с трубами для уменьшения контактного термического сопротивления, что позволяет несколько увеличить поверхность, через которую осуществляется теплообмен, и несколько увеличить скорость теплообмена за счет теплопроводности (см. патент RU на изобретение №2502931, опубл. 27.12.2013, кл. МПК F28F 1/42). Недостатком такого решения является то, что возможность по увеличению скорости теплообмена в значительной мере ограничена малой площадью поверхности, через которую происходит теплообмен.
Известно устройство теплообменника типа труба в трубе содержащее в зоне теплообмена три соосные трубы: - внутреннюю, промежуточную и внешнюю, формирующие три канала для прокачки жидкостей, участвующих в теплообмене. Первый канал формирует внутренняя труба, второй канал - пространство между внешней поверхностью внутренней трубы и внутренней поверхностью промежуточной трубы и третий канал - пространство между внешней поверхностью промежуточной трубы и внутренней поверхностью внешней трубы. Причем «целевая» жидкость, та, которую требуется охладить или нагреть в результате теплообмена, проходит по второму каналу, а вспомогательная жидкость - по каналам 1 и 3, тем самым почти в два раза увеличивается площадь поверхности, через которую осуществляется процесс теплообмена, (см. заявка JP 20150233169 20151130, кл. МПК F28D 7/10; F28D 7/12; F28F 1/42).
Недостатком этого устройства является то, что теплообмен «целевой» жидкости и вспомогательной жидкости осуществляется только через поверхности цилиндрических форм, образующих канал, по которому протекает «целевая» жидкость, а перенос тепла в толще жидкости осуществляется только за счет конвективного переноса. В такой случае, даже, несмотря на переход жидкостей к турбулентному движению, ограничены возможности по массовой скорости теплообмена.
Известно устройство промежуточной трубы для зоны теплообмена теплообменных аппаратов типа «труба в трубе», сформированное двумя соосными тонкостенными цилиндрическими формами, имеющими разные диаметры, жестко и герметично соединенные перемычками с образованием полой стенки со сквозными полостями, причем перемычки имеют выступание за пределы внутренней и внешней поверхностей полой стенки трубы, образуя ребра на обеих поверхностях. При работе такой трубы в составе зоны теплообмена теплообменного аппарата через сквозные полости в ее стенке прогоняют поток «целевой» жидкости. (см. патент RU на полезную модель №181284 от 28.07.2017, опубл. 27.12.2013, кл. МПК F28D 7/10; F28F 1/42) (прототип).
Недостатком этого устройства является то, что ограничена возможность для увеличения производительности теплообменного аппарата по массе охлаждаемой или нагреваемой «целевой» жидкости так как естественно приходим к необходимости увеличивать зазор между цилиндрическими формами, для получения требуемой пропускной способности сквозных полостей стенки. Увеличение зазора приводит к появлению технологических проблем при создании не разъемного и герметичного соединения между внутренней цилиндрической формой и перемычками, связывающими ее с внешней цилиндрической формой.
Задачей полезной модели является расширение возможностей для увеличения массовой скорости теплообмена. Технический результат заключается в реализации этого назначения за счет возможности расслоения потоков «целевой» и «вспомогательной» жидкостей и создавая при этом чередование каналов в радиальном направлении для протекания слоев «целевой» жидкости и «вспомогательной» жидкости, приводящее к формированию дополнительных поверхностей для теплообмена в толще «целевой» и «вспомогательной» жидкостей, что способствует увеличению скорости отвода тепла из массы «целевой» жидкости за счет теплопроводности.
Определенная таким образом задача решается тем, что, в отличие от известного устройства промежуточной трубы для зоны теплообмена теплообменных аппаратов, содержащего две соосные тонкостенные цилиндрические формы, имеющие разные диаметры, жестко и герметично соединенные с перемычками, образовывая стенки со сквозными полостями, причем перемычки имеют выступание за пределы внутренней и внешней поверхностей полой стенки трубы, образуя ребра на обеих ее поверхностях, предлагается устройство промежуточной трубы, включающее, по крайней мере две, трубы, расположенные соосно, каждая из которых имеет сквозные полости в стенке и ребра, выступающие за пределы внутренней и внешней поверхностей такой стенки. Трубы с полыми стенками имеют жесткое и герметичное соединение с кольцевыми перемычками, установленными с торцевых сторон этих труб и формирующими равномерный зазор между ними. В полой стенке каждой из труб между тонкостенными цилиндрическими формами введены патрубки, жестко и герметично соединенные с обеими цилиндрическими формами, формируя радиальные сквозные отверстия в полых стенках, причем эти отверстия размещают вблизи торцевых сторон труб.
Приведенные рисунки иллюстрируют различные аспекты предлагаемой полезной модели и позволяют раскрыть ее суть.
На фиг. 1 представлено схематическое изображение продольного сечения предлагаемого устройства промежуточной трубы, включающего, для примера, только две соосно расположенные трубы со сквозными полостями в стенке.
На фиг. 2 представлено схематическое изображение поперечного сечение А-А изображения предлагаемого устройства промежуточной трубы на фиг. 1.
На фиг. 3а представлено схематическое изображение фрагмента плоской перемычки одного типа как исходного элемента для формирования трубы со сквозными полостями в стенке.
На фиг. 3б представлено схематическое изображение фрагмента плоской перемычки другого типа как исходного элемента для формирования трубы со сквозными полостями в стенке.
На фиг. 4 представлено схематическое изображение продольного сечение зоны теплообмена теплообменного аппарата типа «труба в трубе», содержащее в качестве составной части предлагаемое устройство промежуточной трубы.
На фиг. 4а представлено схематическое изображение поперечного сечения В-В зоны теплообмена теплообменного аппарата типа «труба в трубе» представленного на фиг. 4.
Предлагаемое устройство промежуточной трубы, схематически представленное на фиг. 1, содержит трубу (1) со сквозными полостями в стенке и ребрами с внешней и с внутренней поверхностей этой стенки и расположенную соосно с ней трубу (2) также со сквозными полостями в стенке и ребрами с внешней и с внутренней поверхностей стенки, только большего диаметра чем у трубы (1). Две кольцевые перемычки (3), установленные между трубами (1) и (2) со стороны их торцов формируют равномерный зазор между этими трубами. За счет жесткого и герметичного соединение труб (1) и (2) с перемычками (3) обеспечивается целостность предлагаемого устройства. Между тонкостенными цилиндрическими формами трубы (1) введены патрубки, жестко и герметично соединенные с обеими цилиндрическими формами, формируя радиальные сквозные отверстия (4) в полой стенке трубы (1). Аналогичным образом введены патрубки между тонкостенными цилиндрическими формами в устройство трубы (2), что приводят к формированию радиальных сквозных отверстий (5) в ее полой стенке, причем отверстия (4) и (5) размещают вблизи торцевых сторон труб (1) и (2), соответственно.
Сквозные полости А1 и А2 в стенках труб (1) и (2), соответственно, предназначены для протекания «основной» жидкости, обозначают возможность расслоения потока этой жидкости в предлагаемом устройстве. Зазор между трубами (1) и (2), обозначенный как Б2, предназначается для протекания слоя «вспомогательной» жидкости, которая может поступать в этот зазор через радиальные отверстия (4) и (5) в полых стенках труб (1) и (2). При этом герметичность соединений кольцевых перемычек и патрубков с цилиндрическими формами полых стенок труб будут исключать возможность смешивания между «основной» и «вспомогательной» жидкостями.
На фиг. 2 представлено схематическое изображение поперечного сечения А-А в месте размещения радиальных отверстий (4) и (5) изображенного на фиг. 1 устройства, позволяющее сделать более удобными для восприятия канал Б2, предназначаемый для формирования слоя «вспомогательной» жидкости между слоями «основной» жидкости, протекающих по каналам А1 и А2.
В устройстве труб (1) и (2) с полыми стенками используют плоские перемычки двух типов - (6) и (7), поочередно размещаемые вдоль окружности полой стенки каждой из труб. Контуры перемычек, как исходных элементов для формирования труб (1) и (2), представлены фиг. 3а и фиг. 3б. Отметим, что части таких перемычек, которым предстоит выступать за пределы полых стенок труб (1) и (2) в качестве ребер не будут создавать препятствий для обтекания стенок этих труб «вспомогательной» жидкостью в окружном направлении, при перетекании этой жидкости через радиальные отверстия в полых стенках.
На фиг. 4 представлено схематическое изображение продольного сечения зоны теплообмена теплообменного аппарата типа «труба в трубе», включающее в качестве составной части предлагаемое устройство промежуточной трубы, что позволяет раскрыть более полно его участие в процессе теплообмена. Предлагаемое устройство промежуточной трубы, представлено на фиг. 4 конструктивными элементами (1), (2), (3), (4) и (5), само размещено внутри цилиндрической трубы со сплошной стенкой (8), а внутри него размещена цилиндрическая труба со сплошной стенкой (9). Равномерный зазор между трубой (2) и внешней трубой (8) создан двумя кольцевыми центрующими упорами (10), каждый из которых должен иметь жесткое и герметичное соединение как с трубой (8) так и с трубой (2). Исполнение соединения упоров (10) с трубой (8) и внешней поверхностью трубы (2) может быть разъемным или не разъемном. Равномерный зазор между трубой (1) в составе промежуточной трубы и внутренней трубой (9) создан двумя кольцевыми центрующими упорами (11), каждый из которых должен иметь жесткое и герметичное соединение как с трубой (9) так и трубой (1). Исполнение соединения упоров (11) с трубой (9) и внутренней поверхностью трубы (1) также может быть разъемным или не разъемном. С обоих торцов трубы (11) установлены заглушки (12) и (16). В результате образуются система каналов «Б1», «Б2» и «Б3» для расслоения потока «вспомогательной» жидкости.
В процессе теплообмена, в котором, для упрощения его описания, будем считать, что «целевую» жидкость следует охлаждать, устройство работает следующим образом.
Поток «целевой» жидкости, условно обозначенный литерой «А», подводят в зону теплообмена с одного торца промежуточной трубы, где осуществляется его расслоение на два потока, что соответствует изображению технического устройства на фиг. 4, один из которых обозначен как «А1», другой - «А2». Канал для протекания слоя «А1» сформирован полой стекой трубы (1), а канал для протекания слоя «А2» сформирован полой стекой трубы (2). Двигаясь по указанным каналам, слои «целевой» жидкости отдают тепло теплопроводным элементам, с которыми находятся в непосредственном контакте. На выходе из зоны теплообмена у противоположного торца промежуточной трубы потоки «целевой» жидкости из каналов «А1» и «А2» сливаются в единый поток «А». Причем каждый из каналов для протекания слоев «целевой» жидкости «А1» или «А2» находится в окружении каналов для протекания слоев потока «вспомогательной» жидкости.
Поток «вспомогательной» жидкости, обозначенный литерой «Б», подведенный в зону теплообмена, для примера, через патрубок (13), распределяется по каналам «Б1», «Б2» и «Б3» через систему отверстий (4) и (5), которую удобно отследить на фиг. 4а, расположенных у торца промежуточной трубы, ближайшего к патрубку (13). Двигаясь по каналам «Б1», «Б2» и «Б3», «вспомогательная» жидкость забирает тепловую энергию от теплопроводных элементов, с которыми находится в непосредственном контакте. В тоже время тепловая энергия в эти теплопроводные элементы поступает от слоев «целевой» жидкости, протекающих по каналам «А1» и «А2». Завершая свое течение по каналам «Б1», «Б2» и «Б3» у противоположного торца промежуточной трубы, слои «вспомогательной» жидкости через систему отверстий (4) и (5) около этого торца промежуточной трубы и патрубок (14) во внешней трубе (8) объединяются в единый поток «Б», покидая зону теплообмена и унося тепло, полученное от элементов устройства, нагреваемых «основной» жидкостью при ее протекании по каналам «А1» и «А2».
При необходимости быстрого охлаждения большой массы «целевой» жидкости, промежуточная труба аналогичного устройства, может состоять из трех и более труб, с сквозными полостями в стенках, позволяя разделять поток «целевой» жидкости на три и более слоев, каждый из которых в зоне теплообмена теплообменного аппарата будет окружен двумя слоями потока «вспомогательной» жидкости. За счет такого технического решения можно интенсифицировать отвод тепло из больших масс «целевой» жидкости и унос отведенного тепла из зоны теплообмена «вспомогательной» жидкостью.
Фланцы (15, 17), соединенные трубой (8), обозначают возможность соединения зоны теплообмена с другими частями теплообменного аппарата, в которых наблюдение теплообменных процессов не имеет принципиального значения.
В рассмотренном на фиг. 4 устройстве зоны теплообмена, на торцах внутренней трубы (9) установлены заглушки (12) и (16), обозначая то, что пространство внутри трубы (9) не используется при работе теплообменного аппарата. Однако стоит иметь в виду, что через внутреннее пространство трубы (9) можно применить для дополнительного подвода и отвода «вспомогательной» жидкости в зону теплообмена, к уже представленному на фиг. 4 потоку «вспомогательной» жидкости, обозначенному литерой «Б».
Сопоставление предлагаемого технического решения с прототипом показывает, что заявленное решение отличается тем, что промежуточная труба состоит из, по крайней мере двух, соосно расположенных труб, имеющих сквозные полости в стенке и ребра по обе боковые стороны такой стенки, которые имеют жесткое и герметичное соединение с кольцевыми перемычками, установленными с торцевых сторон этих труб для обеспечения равномерного зазора между ними, при этом в полой стенке каждой из труб между тонкостенными цилиндрическими формами введены патрубки, жестко и герметично соединенные с обеими цилиндрическими формами, формируя радиальные сквозные отверстия в стенках, имеющих сквозные полости, причем эти отверстия размещают вблизи обоих торцевых сторон труб с полыми стенками, позволяющие увеличить площадь контакта для теплообмена между «целевой» и «вспомогательной» жидкостями. Наличие приведенных отличительных от прототипа признаков предлагаемого устройства и описание процесса его работы показывает, что полезная модель соответствует критерию «новизна».
Заявляемое техническое решение новое, т.к. аналогичные известные из уровня техники решения не обладают тождественной совокупностью признаков.
Заявляемое техническое решение является промышленно применимым, поскольку оно может быть использовано в проектировании и производстве теплообменных аппаратов. На что указывает рассмотрение работы предлагаемого устройства трубы в зоне теплообмена теплообменного аппарата.
Заявляемое техническое решение устройства трубы для зоны теплообмена теплообменных аппаратов отвечает всем критериям патентоспособности полезной модели.