Теплообменная трубка кожухотрубного конденсатора

Полезная модель относится к кожухотрубным теплообменным аппаратам, в частности к устройству кожухотрубных конденсаторов, их отдельных узлов и деталей, и может быть использована в энергетической, нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, газовой и других отраслях промышленности.
Известна теплообменная трубка кожухотрубного конденсатора, покрытая снаружи и внутри слоем полиамидного материала [US4611471, дата приоритета: 14.01.1985 г., дата публикации: 16.09.1986 г., МПК F28С 3/02].
Известна теплообменная трубка кожухотрубного конденсатора, покрытая снаружи и внутри слоем полимерного материала и содержащая внутри спиралевидную ленту [CN201852506, дата приоритета: 25.10.2010 г., дата публикации: 01.06.2011 г., МПК F28F 1/00].
Общим недостатком известных теплообменных трубок кожухотрубных конденсаторов является высокий коэффициент термического сопротивления пленки конденсата, образующейся на их внешней поверхности.
В качестве прототипа выбрана теплообменная трубка кожухотрубного конденсатора, имеющая на внешней поверхности поперечные канавки и покрытая материалом, имеющим низкий коэффициент смачиваемости [RU170614, дата приоритета: 05.08.2016 г., дата публикации: 02.05.2017 г., МПК F28B 1/00, F28F 9/22, F28F 21/00].
Преимуществом прототипа перед известными теплообменными трубками кожухотрубных конденсаторов является низкий коэффициент термического сопротивления пленки конденсата, благодаря тому, что за счет скатывания капель конденсата с поверхности трубки по канавкам пленка конденсата имеет малую среднеинтегральную толщину. Однако существенным недостатком прототипа является высокий риск снижения коэффициента теплопередачи между теплоносителями трубного и межтрубного пространства, обусловленный тем, что на внутренней поверхности теплообменной трубки возможно образование кристаллических структур малорастворимых соединений, например, солевых отложений, которые, имея низкий коэффициент теплопроводности, существенно увеличивают коэффициент термического сопротивления теплопередаче, что в значительной степени снижает эффективность кожухотрубного конденсатора.
Технической проблемой, на решение которой направлена полезная модель, является повышение общего коэффициента теплопередачи между теплоносителями трубного и межтрубного пространства.
Техническим результатом, на достижение которого направлена полезная модель, является снижение риска увеличения термического сопротивления между теплоносителями трубного и межтрубного пространства.
Сущность полезной модели заключается в следующем.
Теплообменная трубка кожухотрубного конденсатора имеет канавки на наружной поверхности и покрыта снаружи материалом с низким коэффициентом смачиваемости. В отличие от прототипа теплообменная трубка имеет на внутренней поверхности выпуклости и покрыта изнутри материалом с высоким коэффициентом сопротивления адгезионному воздействию среды.
Материал с высоким коэффициентом сопротивления адгезионному воздействию среды обеспечивает возможность создания покрытия с низким коэффициентом трения, препятствующего прилипанию и отложению на внутренней поверхности теплообменной трубки солей и иных включений, содержащихся в теплоносителе трубного пространства. Материал с высоким коэффициентом сопротивления адгезионному воздействию среды может быть представлен синтетическими полиамидами, полимерами или фторсодержащими материалами, например, фторопластом, политетрафторэтиленом, а также различными металлическими напылениями. Также эти материалы могут быть нанесены на внутреннюю поверхность теплообменной трубки совместно, при этом нижним слоем может быть нанесено металлическое напыление, а верхним слоем – фторсодержащий материал. Использование политетрафторэтилена или фторопласта позволяет наносить максимально тонкий слой покрытия (от 0,1 мкм), за счет чего обеспечивается дополнительное снижение термического сопротивления между теплоносителями трубного и межтрубного пространства.
Материал с низким коэффициентом смачиваемости обеспечивает возможность создания гидрофобного покрытия, способствующего скатыванию конденсата с наружной поверхности теплообменной трубки. Материал с низким коэффициентом смачиваемости может быть охарактеризован краевым углом смачивания. При этом величина краевого угла смачивания в диапазоне от 90° до 150° обеспечивает наиболее высокие гидрофобные характеристики внутренней поверхности теплообменной трубки. Материал с низким коэффициентом смачиваемости может быть представлен синтетическими полиамидами или полимерами, например, нейлоном, фторопластом или политетрафторэтиленом.
Теплообменная трубка имеет выпуклости на внутренней поверхности, что обеспечивает возможность создания турбулентных завихрений, способствующих нарушению ламинарного течения теплоносителя трубного пространства, благодаря чему снижается вероятность оседания солей и иных включений на внутренней поверхности теплообменной трубки. При этом создание турбулентных завихрений также обеспечивает возможность абразивного воздействия солями и иными включениями на уже сформировавшиеся на внутренней поверхности трубки кристаллические структуры малорастворимых соединений.
Выпуклости могут иметь различную форму, например, кольцевую, ромбовидную, прямоугольную и другие формы. Выпуклости могут повторяться с заданным шагом и иметь заданную высоту, определяемые в зависимости от диаметра и толщины стенок теплообменной трубки, скорости течения и свойств используемого теплоносителя трубного пространства, а также от содержания в нем солей и иных примесей. При этом для снижения риска образования наплывов солей между выпуклостями и, как следствие, снижения риска увеличения термического сопротивления между теплоносителями трубного и межтрубного пространства выпуклости могут повторяться с шагом в диапазоне от 0,1 до 10 наружных диаметров теплообменной трубки. Высота выпуклостей может находиться в диапазоне от 0,1 до 10 мм. Ширина выпуклостей может находиться в диапазоне от 0,5 до 10 мм.
Кольцевые выпуклости могут быть получены посредством накатки или резанием. Ромбовидные выпуклости могут быть получены путем прорезания или продавливания пересекающихся спиралевидных канавок на внутренней поверхности теплообменной трубки, а прямоугольные выпуклости могут быть получены путем прорезания или продавливания пересекающихся прямых продольных и поперечных канавок на внутренней поверхности теплообменной трубки.
Также выпуклости могут быть образованы вставками, установленными внутрь теплообменной трубки и/или закрепленными на ее внутренней поверхности, которые могут представлять собой ребра, спиралевидные ленты, кольца или гофрированные элементы. При этом для повышения степени завихрения потока теплоносителя трубного пространства вставки могут иметь сквозную перфорацию, а для препятствования отложению солей на их поверхность может быть нанесен материал с высоким коэффициентом сопротивления адгезионному воздействию среды.
Теплообменная трубка кожухотрубного конденсатора имеет канавки на наружной поверхности, обеспечивающие возможность создания покатых участков поверхности, способствующих снижению толщины или разрыву образующейся на наружной поверхности теплообменной трубки пленки конденсата. Канавки могут иметь различную форму и направление и могут представлять собой кольцевые, спиралевидные или многогранные углубления и могут быть получены накаткой, резанием или продавливанием. Канавки могут иметь скругления с радиусом в диапазоне от 0,04 до 0,1 наружного диаметра теплообменной трубки, при этом радиус скругления образованных покатых участков поверхности может находиться в диапазоне от 0,3 до 2 наружных диаметров теплообменной трубки.
Выпуклости на внутренней поверхности теплообменной трубки могут быть выполнены ответными канавкам на наружной поверхности. Например, выпуклости на внутренней поверхности теплообменной трубки могут быть получены в процессе накатки канавок на наружной поверхности теплообменной трубки, что дополнительно обеспечивает более высокую надежность и простоту изготовления теплообменной трубки.
Полезная модель обладает ранее неизвестной из уровня техники совокупностью существенных признаков, отличающейся тем, что:
теплообменная трубка покрыта изнутри материалом с высоким коэффициентом сопротивления адгезионному воздействию среды, снижающим степень молекулярного взаимодействия между частицами солей и внутренней поверхностью теплообменной трубки, что замедляет образование кристаллических структур малорастворимых соединений на внутренней поверхности теплообменной трубки.
теплообменная трубка на внутренней поверхности имеет выпуклости, которые турбулизируют поток теплоносителя трубного пространства, создавая завихрения, разрушающие кристаллические структуры малорастворимых соединений, образующихся на внутренней поверхности теплообменной трубки.
Таким образом, совокупность существенных отличительных признаков позволяет замедлить образование кристаллических структур малорастворимых соединений на внутренней поверхности теплообменной трубки, а в случае их образования позволяет эффективно разрушать их, благодаря чему достигается технический результат, заключающийся в снижении риска увеличения термического сопротивления между теплоносителями трубного и межтрубного пространства, и повышается общий коэффициент теплопередачи между теплоносителями трубного и межтрубного пространства.
Наличие новых отличительных существенных признаков свидетельствует о соответствии полезной модели критерию патентоспособности «новизна».
Полезная модель может быть выполнена из известных материалов с помощью известных средств, что свидетельствует о соответствии полезной модели критерию патентоспособности «промышленная применимость».
Полезная модель поясняется следующими чертежами.
Фиг.1 – теплообменная трубка кожухотрубного конденсатора с кольцевыми канавками на наружной поверхности и ответными кольцевыми выпуклостями на внутренней поверхности, продольный разрез.
Фиг.2 – теплообменная трубка кожухотрубного конденсатора с кольцевыми канавками на наружной поверхности и ромбовидными выпуклостями на внутренней поверхности, продольный разрез.
Фиг.3 – теплообменная трубка кожухотрубного конденсатора со спиралевидной канавкой на наружной поверхности и ответной спиралевидной выпуклостью на внутренней поверхности, продольный разрез.
Фиг.4 – теплообменная трубка кожухотрубного конденсатора с кольцевыми канавками на наружной поверхности и вставками, выполненными в виде перфорированных колец, продольный разрез.
Теплообменная трубка кожухотрубного конденсатора имеет канавки 1 на наружной поверхности и выпуклости 2 на внутренней поверхности, при этом теплообменная трубка покрыта изнутри материалом с высоким коэффициентом сопротивления адгезионному воздействию среды, а снаружи - материалом с низким коэффициентом смачиваемости.
Полезная модель работает следующим образом.
Внутрь теплообменной трубки подают хладагент. Хладагент циркулирует внутри теплообменной трубки, а частицы 3 солей, содержащиеся в нем, незначительно осаждаются на поверхности теплообменной трубки за счет покрытия ее изнутри материалом с высоким коэффициентом сопротивления адгезионному воздействию среды, образуя при этом тонкий слой 4 солевых отложений. При этом хладагент взаимодействует с выпуклостями 2 и завихряется, также препятствуя оседанию частиц 3 солей на внутренней поверхности теплообменной трубки и способствуя разрушению образовавшегося слоя 4 солевых отложений посредством абразивного воздействия на них потоком хладагента и частицами 3 солей, содержащимися в нем. Теплоноситель межтрубного пространства, требующий охлаждения, подают в виде пара на наружную поверхность теплообменной трубки, при этом он, соприкасаясь с наружной поверхностью теплообменной трубки, начинает конденсироваться, образуя пленку 5 конденсата. Покрытие из материала с низким коэффициентом смачиваемости на наружной поверхности теплообменной трубки способствует тому, что конденсат собирается в капли 6, большинство из которых скатывается с покатых участков наружной поверхности теплообменных трубок в канавки 1, за счет чего образуются разрывы в пленке 5 конденсата.
Таким образом, одновременно снижается количество солевых отложений на внутренней поверхности и толщина пленки конденсата на внешней поверхности теплообменной трубки, благодаря чему достигается технический результат, заключающийся в снижении риска увеличения термического сопротивления между теплоносителями трубного и межтрубного пространства, и повышается общий коэффициент теплопередачи между теплоносителями трубного и межтрубного пространства. При этом, за счет снижения требуемой поверхности теплообмена обеспечивается возможность улучшения массогабаритных характеристик теплообменной трубки и, как следствие, улучшения массогабаритных характеристик всего кожухотрубного конденсатора.