Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ТЕПЛООБМЕННОЙ ТРУБЫ С ВНУТРЕННИМ ОРЕБРЕНИЕМ

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано при производстве оребренных труб, холодильных аппаратов или контейнеров, предназначенных для хранения отработавшего топлива ядерных реакторов, а также других материалов или объектов, где требуется обеспечение эффективной передачи тепла.

Известно устройство с оребренной поверхностью, изготовленное способом (патент РФ №2141615, приоритет 14.04.98 г., МПК F28F 3/02, опубликован 20.11.99 г. БИ №32), в котором готовое изделие получено укладкой дисков оребрения в кондуктор с последующим введением при нагреве во внутренние отверстия дисков оребрения предварительно охлажденной в среде жидкого азота трубы с последующим изъятием оребренной поверхности из кондуктора.

При нагреве трубы теплом окружающей среды происходит ее тепловое расширение, в результате чего обеспечивается необходимый контакт между трубой и ребрами.

Недостатками данного устройства являются:

- существенные технологические трудности, возникающие при охлаждении жидким азотом крупногабаритных труб (диаметром порядка 1…3 м и длиной 2…4 м);

- невозможность изготовления трубы с продольными ребрами.

Известно в качестве прототипа устройство теплообменной трубы с внутренним оребрением (патент РФ №2190138, приоритет от 10.08.2000 г., МПК F28F 1/40, опубликован 27.09.2002 БИ №27), в котором внутрь трубчатой заготовки введены сердечник и ребра. Предварительно на внутренней поверхности заготовки и внешней поверхности заранее выполненного полым сердечника выполняют продольные пазы, а ребра, выполненные отдельно от сердечника, изготовлены изогнутыми. Затем сердечник фиксируют, а трубчатую заготовку ориентируют относительно сердечника так, чтобы их продольные пазы были установлены относительно друг друга со смещением на угол α. Далее вводят ребра в пазы заготовки и сердечника, поворачивают заготовку до полной выборки угла α, при этом угол α определяют из условия:

,

где R₁ - наружный радиус сердечника,

r₁ - радиус паза на наружной поверхности сердечника,

R₂ - внутренний радиус заготовки,

r₂ - радиус паза на внутренней поверхности заготовки,

L - расстояние в поперечном сечении между крайними точками ребра, соприкасающимися с сердечником и заготовкой,

после чего заготовку фиксируют относительно сердечника, а первоначальную фиксацию сердечника снимают. В результате выполнения перечисленных операций создается упругая деформация ребер, обеспечивающая необходимый для передачи тепла контакт между сердечником, ребрами и трубчатой заготовкой.

Недостатком известного изобретения являются большие трудозатраты, необходимые для придания ребрам изогнутой формы, а также отсутствие возможности изоляции сердечника от трубчатой заготовки в условиях аварийных термических воздействий.

Задачей авторов изобретения является разработка устройства теплообменной трубы, обеспечивающего высокую экономичность при осуществлении процесса изготовления устройства, а также повышение безопасности его использования в условиях аварийных термических воздействий.

Указанное устройство теплообменной трубы с внутренним оребрением выбрано в качестве прототипа.

Новый технический результат, достигаемый при использовании предлагаемого устройства, заключается в обеспечении более высокой экономичности при осуществлении процесса сборки устройства, повышение безопасности его использования в условиях аварийных термических воздействий при одновременном сохранении упругих деформаций в ребрах, способствующих созданию необходимой тепловой проводимости между контактирующими деталями.

Дополнительные технические результаты заключаются также в повышении безопасности устройства за счет сохранения работоспособности тепловой трубы в условиях повышенных температур или пожара, в снижении трудоемкости изготовления устройства.

Указанные задача и новый технический результат достигаются тем, что в конструкции теплообменной трубы, включающей трубчатую заготовку, на внутренней поверхности которой выполнены продольные пазы, полый сердечник, на наружной поверхности которого выполнены продольные пазы, ребра, вставленные в пазы с одной стороны трубчатой заготовки, а с другой стороны - в пазы сердечника, трубчатая заготовка ориентирована относительно сердечника таким образом, что их продольные пазы смещены относительно друг друга на заданный угол α, согласно изобретению ребра выполнены в виде плоских деталей, каждое ребро выполнено составным из двух прямолинейных элементов, один из которых выполнен с заостренным продольным краевым участком в зоне сопряжения со вторым элементом, выполненным с ответной частью клиновидной формы.

Кроме того, в предлагаемой конструкции теплообменной трубы в пазах трубчатой заготовки и сердечника размещены легкоплавкие вставки.

Кроме того, в конструкции теплообменной трубы элемент ребра с ответной частью клиновидной формы выполнен составным из двух симметричных продольных частей.

Кроме того, в конструкции теплообменной трубы угол заострения продольного краевого участка элемента ребра меньше угла раскрытия паза клиновидной формы второго элемента ребра.

Выборка зазоров между сопрягаемыми деталями и создание в ребрах упругих деформаций, обеспечиваемых за счет выполнения ребер составными из двух прямолинейных элементов, один из которых выполнен с заостренным продольным краевым участком в зоне сопряжения со вторым элементом, выполненным с ответной частью клиновидной формы, позволяет создать необходимую тепловую проводимость, обеспечивающую эффективный теплообмен между сердечником и заготовкой, и снизить затраты при осуществлении процесса изготовления устройства. При этом угол заострения клина больше угла раскрытия ответной детали.

Выполнение элемента ребра с ответной частью клиновидной формы составным из двух симметричных продольных частей позволяет снизить затраты при осуществлении процесса изготовления устройства.

Размещение в пазах трубчатой заготовки легкоплавких вставок позволяет обеспечить безопасность использования устройства в условиях аварийных термических воздействий или пожара.

Наличие отличительных признаков от прототипа говорит о соответствии предлагаемого решения критерию изобретения «новизна».

Заявляемое устройство соответствует и критерию «изобретательский уровень», так как не выявлено источников известности, где был бы описан технический результат, достигаемый предложенной совокупностью признаков.

На фиг.1 изображен вид теплообменной трубы на первом этапе сборки, где:

1 - сердечник полый,

2 - ребро,

3 - трубчатая заготовка,

4 - продольный паз на внешней поверхности сердечника,

5 - продольный паз на внутренней поверхности заготовки,

6 - зазор между сердечником и ребром,

7 - зазор между заготовкой и ребром,

8, 9 - крайние точки ребра в поперечном сечении, соприкасающиеся с сердечником и заготовкой,

10 - элемент ребра с заостренным продольным краевым участком,

11 - элемент ребра с пазом клиновидной формы,

12 - легкоплавкие вставки,

13, 14 - продольная часть элемента ребра с пазом клиновидной формы,

α - угол смещения трубчатой заготовки относительно сердечника.

На фиг.2 изображена теплообменная труба после сборки.

Теплообменную трубу с внутренним оребрением изготавливают из трубчатой заготовки 3, сердечника 1 и ребер 2. При этом расстояние в поперечном сечении между крайними точками ребра, соприкасающимися с сердечником и заготовкой, выбирают из условия:

L=(R₂-R₁+r₁+r₂+Δ_R1+Δ_R2+Δ_r1+Δ_r2+Δ_L+Δ_П)K_Н,

где Δ_R1, Δ_R2, Δ_r1, Δ_r2, Δ_L - модули значений предельных отклонений размеров R₁, R₂, r₁, r₂, L, соответственно,

Δ_П - модуль значения предельного отклонения взаимного расположения сердечника и заготовки,

K_Н - коэффициент, учитывающий создание предварительного напряженного состояния ребер в процессе сборки (K_Н≥1).

Процесс изготовления теплообменной трубы выполняют в следующей последовательности.

Предварительно устанавливают трубчатую заготовку 3. Затем вводят внутрь заготовки 3 сердечник 1, который фиксируют в этом положении. Далее ориентируют трубчатую заготовку 3 относительно сердечника 1 так, чтобы их продольные пазы 4 и 5 находились относительно друг друга со смещением на угол α₁. Затем вводят в пазы ребра 2, состоящие (каждый) из элементов 10, имеющих заостренный продольный краевой участок, и элементов 11 с продольными частями 13, 14, имеющих паз клиновидной формы. После этого поворачивают заготовку 3 до полной выборки угла α, фиксируют заготовку 3 относительно сердечника 1, а первоначальную фиксацию сердечника снимают. При повороте заготовки 3 исчезают зазоры 6 и 7 между ребрами 2, сердечником 1 и заготовкой 3 и происходит упругая деформация ребер, обеспечивающая необходимый контакт и тепловую проводимость между сопрягаемыми деталями.

В качестве подтверждения промышленной применимости рассмотрим пример теплообменной трубы с внутренним оребрением.

Материал сердечника 1 и трубчатой заготовки 3 - сталь 12ХН10Т.

Материал ребер 2 - алюминиевый сплав - АЛ-19.

Значения размеров деталей и модулей предельных отклонений:

- R₁=1150 мм,

- R₂=1300 мм,

- r₁=r₂=5 мм,

- ΔR₁=2,5 мм,

- ΔR₂=2,5 мм,

- Δr₁=Δr₂=0,16 мм,

- Δ_L=0,6 мм,

- Δ_П=2,5 мм.

Коэффициент, учитывающий гарантированную упругую деформацию ребер после сборки, был принят равным K_Н=1,01.

Расстояние в поперечном сечении между крайними точками ребра, соприкасающимися с сердечником и заготовкой, было равно:

L=(1300-1150+5+5+2,5+2,5+0,16+0,16+0,6+2,5)·1,1=176,8 мм.

Вычисленное значение угла между пазами сердечника и заготовки составило α=3,53.

В конструкции трубы с внутренним оребрением было использовано 74 ребер толщиной 5 мм, установленных с шагом 50 мм. Ребра были выполнены составными из двух прямолинейных элементов 10 и 11 (с продольными частями 13 и 14), один из которых (10) изготовлен с заостренным продольным краевым участком в зоне сопряжения со вторым элементом. Угол заострения составлял 5°. Ответная часть второго элемента (11) ребра имела паз клиновидной формы с углом раскрытия клина (паза) 4,5°.

Длина всей конструкции составляла 2,4 м.

Момент, необходимый для поворота трубчатой заготовки, составил ~5,7·10⁵ Н·м на 1 м длины оребренной трубы.

Выполнение описанных выше элементов и операций по их сборке позволило создать эффективную тепловую проводимость между сердечником и трубчатой заготовкой. При этом существенно упростилась технология, что привело к снижению трудоемкости и затрат по изготовлению теплообменной трубы с внутренним оребрением.