Теплообменник "труба в трубе"

Предполагаемое техническое решение относится к теплообменным аппаратам и может найти применение в химической, нефтехимической, энергетической, фармакологической, пищевой и других отраслях промышленности, а также экологических процессах утилизации тепла дымовых газов.
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 - патрубками (Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии: учеб. для вузов. - 14-е изд., стереотипное. - М.: ООО ИД «Альянс», 2008 - С. 331).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная эффективность теплопередачи между теплоносителями из-за устойчивого пристенного ламинарного слоя во внутренней и наружной трубе, что снижает производительность известной конструкции теплообменника «труба в трубе».
Известна конструкция теплообменного элемента типа «труба в трубе», содержащая внутреннюю прямолинейную, а также промежуточную и наружную гофрированные трубы, во впадинах гофр которых размещены спиральные элементы, с целью повышения эксплуатационной надежности торцы промежуточной и наружной труб снабжены днищами, установленными с зазором относительно друг друга, причем внутренняя труба снабжена спиральными ребрами, контактирующими с вершинами гофр промежуточной трубы, а спиральный элемент, размещенный во впадинах последней, установлен в контакте с вершинами гофр наружной трубы (авторское свидетельство СССР №1792158 А1, 1984).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная эффективность теплопередачи между теплоносителями из-за устойчивого пристенного ламинарного слоя во внутренней и наружной трубах, что приводит к снижению производительности известной конструкции теплообменного элемента.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявляемому объекту и принятым за прототип является теплообменник «труба в трубе», состоящий из нескольких последовательно соединенных трубчатых элементов, образованных двумя концентрически расположенными наружными и внутренними трубами, и калачей, соединяющих внутренние трубы, при этом свободные концы каждой внутренней трубы и калача выполнены с резьбой и соединены между собой муфтой с равномерно расположенными на ее боковой поверхности центрирующими упругими пластинами, а каждый калач установлен внутри колена, где колено выполнено в виде гофрированной трубы из упругого материала, гофры которой образуют винтовую линию[пм РФ № 181266, F28D 7/10F28D 7/06, 2017].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная эффективность теплопередачи между теплоносителями из-за устойчивого пристенного ламинарного слоя во внутренней и наружной трубе, что снижает производительность.
Техническим результатом предлагаемой конструкции аппарата воздушного охлаждения является увеличение производительности.
Поставленный технический результат достигается тем, что теплообменник «труба в трубе», состоящий из последовательно соединенных трубчатых элементов, образованных двумя концентрически расположенными наружными и внутренними трубами, и калачей, установленных внутри колена, выполненного в виде гофрированной трубы из упругого материала, при этом свободные концы каждой внутренней трубы и калача выполнены с резьбой и соединены между собой муфтой, причем внутренняя труба закреплена на спиралях, жестко соединенных с наружной трубой и равномерно распределенных по длине линейного участка трубы с шагом
n=(0,2÷0,3)L,
где n - шаг между спиралями, м;
L - длина линейного участка трубы, м,
а в зазоре между крышкой и патрубком подвода во внутреннюю трубу расположена гофрированная манжета.
Закрепление внутренней трубы на спиралях, жестко соединенных с наружной трубой, равномерно распределенных по длине линейного участка трубы с шагом, определяемым уравнением (1), позволит совершать вертикальные вибрации, что интенсифицирует процесс теплопередачи от горячего теплоносителя к холодному за счет разрушения стационарного пристенного ламинарного слоя, тем самым увеличивая коэффициент теплопередачи, что способствует росту производительности.
Уменьшение нижнего предела шага между спиралями, заявляемого соотношения (1), равного n/L=0,2, приводит к излишней прочности внутренней трубы, что не позволит спиралям совершать возвратно поступательные действия и выполнять условия образования вибраций, и может привести к образованию устойчивого пристенного ламинарного слоя, что приведет к уменьшению производительности.
Увеличение верхнего предела шага между спиралями, заявляемого соотношения (1), равного n/L=0,3, приводит к увеличению нормальных и касательных напряжений в местах соединения спирали с внутренней и внешней трубой, из-за чего возможен разрыв соединения, прекращение действия конструкции, а следовательно, снижение производительности.
Установка гофрированной манжеты в зазоре между патрубком подвода во внутреннюю трубу и крышкой позволит повысить герметичность конструкции при вертикальных вибрациях внутренней трубы, а следовательно, увеличить производительность.
На фиг.1 изображена схема предлагаемой конструкции теплообменника «труба в трубе», а на фиг. 2 разрез по сечению А-А.
Теплообменника «труба в трубе» состоит из наружной трубы 1 и внутренней трубы 2, соосно установленной внутри наружной трубы 1. Наружная труба 1 имеет патрубок 3 для ввода одного теплоносителя в межтрубное пространство, а внутренняя труба 2 - патрубок 4 подвода второго теплоносителя. На конце наружной трубы 1 установлен фланец 5, соединенный с крышкой 6. В зазоре между крышкой 6 и патрубоком 4 подвода второго теплоносителя установлена гофрированная манжета 7. На конце калача 8 расположено резьбовое соединение 9, соединяемое с резьбовым соединением 10 внутренней трубы с помощью муфты 11. Для подачи теплоносителя из межтрубного пространства наружной трубы 1 и внутренней трубы 2 верхней секции в последующие устанавливают колено 12, выполненное в виде гофрированной трубы из упругого материала, при этом гофры 13 образуют винтовую линию. Внутренняя труба 2 соединяется с наружной трубой 1 на спиралях 14, установленных с шагом, определяемым выражением (1).
Предлагаемая конструкция работает следующим образом.
Через патрубок 4, проходящий через крышку 6, в зазоре с которой установлена гофрированная манжета 7, во внутреннюю трубу 2 подается один из теплоносителей, по воздействием веса которого внутренняя труба 2 начинает совершать вертикальные вибрации на спиралях 14, установленных с шагом, определяемым выражением (1), закрепленных на наружной трубе 1, тем самым разрушая ее пристенный ламинарный слой. Через небольшой промежуток времени через патрубок 3 в наружную трубу 1 подается второй теплоноситель, который компенсирует амплитуду вибрации внутренней трубы 2, которая, в свою очередь, разрушает пристенный ламинарный слой второго теплоносителя на своей наружной поверхности. Вертикальная вибрация внутренней трубы будет предаваться калачу 8, а следовательно, колену 12, выполненному в виде гофрированной трубы из упругого материала.
Пример исполнения аппарата.
Предположим, что диаметр наружной трубы 1 D=500 мм, а наружный диаметр внутренней трубы 2 d=250мм. Тогда внутренний диаметр отверстия крышки 6 надо принять равным dK=300мм, а в зазоре с патрубком 4 установлена гофрированная манжета 7 толщиной δ= (dK - d)/2 =25мм, соответствующей двойной амплитуде колебаний.
Таким образом, закрепление внутренней трубы 2 на спиралях 14, жестко соединенных с наружной трубой 1 и равномерно распределенных по длине линейного участка трубы с шагом, определяемым выражением (1), и установка гофрированной манжеты 7 в зазоре между крышкой 6 и патрубком подвода 4 во внутреннюю трубу обеспечивает вертикальные колебания с высокой амплитудой, разрушает пристенный ламинарный слой с обеих сторон внутренней трубы 2 , что увеличивает коэффициент теплопередачи, скорость теплообменных процессов, а значит, в целом способствует росту производительности.