Результат интеллектуальной деятельности: ТЕПЛООБМЕННИК ТРУБА В ТРУБЕ

Заявленное изобретение относится к теплообменной аппаратуре и может быть использовано в различных отраслях промышленности, сельского и коммунального хозяйств.

Известны теплообменники типа «труба в трубе», представляющие из себя две трубы, одна из которых, меньшего диаметра, расположена внутри другой - большего диаметра, с кольцевым зазором, называемым межтрубным пространством. По внутренней трубе прокачивается среда (жидкая или газообразная) например, более высокой температуры (горячая), а по межтрубному пространству - среда с меньшей температурой (холодная). При этом стенка внутренней трубы нагревается и передает тепло холодной среде, у которой таким образом температура повышается. Направление передачи тепла может быть таким, как указано выше, или в противоположном направлении в зависимости от соотношения температур во внутренней трубе и в межтрубном пространстве.

Эффективность теплообмена, кроме того, зависит от степени турбулизации потока и от вязкости сред - эффективность возрастает с ростом турбулизации и с уменьшением вязкости.

Если для конкретных сред принять одинаковыми их начальные температуры, а следовательно вязкости, и диаметры труб, то единственным способом увеличения эффективности теплообмена между ними останется увеличение турбулентности, которого при гладких трубах можно достичь только увеличением скоростей сред.

Повышение эффективности теплообмена позволяет сократить необходимую площадь теплообмена, уменьшить длину теплообменника, другие его габариты и массу. Но повышение скоростей сред в трубах требует увеличения мощности насосов, которые прокачивают эти жидкости. Если учесть, что повышение турбулентности пропорционально скорости среды, а требующиеся мощности насосов - квадрату скоростей, то очевидно, что повышение скоростей сред имеет определенный предел, после достижения которого дальнейшее повышение скоростей становится невыгодным.

Поэтому стремятся увеличить турбулизацию за счет установки во внутренней трубе и в межтрубном пространстве различного вида турбулизующих элементов.

Например, известны теплообменники «труба в трубе», в которых на внутреннюю трубу намотана проволока, имеющая различные шаги навивки и конфигурацию.

Недостатком таких теплообменников является незначительное повышение турбулизации с опережающим ростом гидравлического сопротивления.

Известны, также, теплообменники, на внутреннюю трубу которых установлены, например, на сварке, винтообразные ребра, высота которых почти равна расстоянию от внутренней трубы до наружной. Такие ребра в большей степени повышают турбулентность среды в межтрубном пространстве по сравнению с намоткой проволоки. Кроме того они увеличивают площадь теплового контакта стенки внутренней трубы со средой межтрубного пространства, т.е. повышают эффективность теплообмена.

Недостатками таких теплообменников являются следующие:

- не вся среда в межтрубной полости вовлекается в винтовое движение - часть ее протекает сквозь кольцевой зазор между винтовыми ребрами и наружной трубой;

- увеличение скорости среды, ее турбулизации происходит всего на несколько процентов, в крайнем случае, на несколько десятков процентов, поскольку угол подъема винтовой линии ребер невелик, а с увеличением угла подъема гидравлическое сопротивление возрастает значительно быстрее роста турбулизации и все большее количество среды начинает протекать сквозь кольцевой зазор;

- теплоотдача от среды во внутренней трубе к ее стенке остается на прежнем, сравнительно низком уровне, а оно и определяет эффективность теплопередачи в целом.

Известен теплообменник «труба в трубе» по патенту №SU 1222207. В этом теплообменнике внутрь внутренней трубы установлена турбулизирующая вставка в виде закрученной по винтовой линии полосы из металлического листа с турбулизирующими лепестками вдоль ее продольных кромок. Эта вставка вызывает закручивание по винтовой линии, существенно увеличивает турбулизацию среды во внутренней трубе и теплоотдачу от среды к стенке.

Указанный теплообменник принят за прототип.

Однако он имеет следующие недостатки:

- не вся среда во внутренней трубе вовлекается в винтовое движение (ориентировочно только 20-30%), что не позволяет достичь максимально возможной турбулизации среды;

- велико контактное термическое сопротивление турбулизирующей вставки с внутренней поверхностью трубы (турбулизирующая вставка касается внутренней поверхности трубы только в отдельных точках, причем, простым прижатием к ней за счет упругих сил. А такое прижатие не вполне надежно и в любой момент может ослабнуть - т.е. термическое сопротивление в месте контакта увеличится и может стать неприемлемо большим).

- большое контактное термическое сопротивление лишает турбулизирующую вставку существенной своей функции - передавать тепло от нее к стенке внутренней трубы за счет теплопроводности, (что равносильно увеличению теплообменной поверхности внутренней трубы).

Целью настоящего изобретения является более существенное увеличение коэффициента теплопередачи - не на десятки процентов, а в несколько раз, что, в свою очередь позволит во столько же раз сократить длину теплообменника и, следовательно, также в разы уменьшить его габариты и массу, хотя в несколько меньшей степени, чем уменьшение длины.

Предлагаемый настоящим изобретением теплообменник «труба в трубе» отличается от прототипа тем, что внутреннее пространство внутренней трубы и межтрубное пространство между внутренней и наружной трубами представляют из себя винтовые полости, образованные стенками труб и винтовыми вставками, установленными внутри внутренней трубы и внутри межтрубного пространства таким образом, что внутренняя винтовая вставка соединена, преимущественно с помощью сварки или пайки, с внутренней поверхностью внутренней трубы, а винтовая вставка в межтрубном пространстве соединена таким же образом с наружной поверхностью внутренней трубы и внутренней поверхностью наружной трубы, причем, материалы внутренней трубы, винтовых вставок и места стыков винтовых вставок со стенками внутренней трубы должны иметь минимальные термические сопротивления.

Устройство предлагаемого теплообменника схематически показано на фиг.1 и фиг.2.

На фиг.1 показан продольный разрез теплообменника, на фиг.2 - его поперечный разрез.

Фиг.1: 1 - внутренняя труба; 2 - наружная труба; 3 - винтовая вставка во внутренней трубе; 4 - винтовая вставка в межтрубном пространстве; 5 - винтовая полость во внутренней трубе; 6 - винтовая полость в межтрубном пространстве; Б - вход среды во внутреннюю трубу; В - выход среды из внутренней трубы; Г - вход среды в межтрубное пространство; Д - выход среды из межтрубного пространства.

Фиг.2: Е - винтовое движение среды во внутренней трубе; Ж - винтовое движение среды в межтрубном пространстве.

Работает теплообменник следующим образом: в винтовую полость трубы поз.1 поступает горячая среда и сразу приобретает винтовое движение, например, по часовой стрелке. При своем движении среда омывает поверхность винтовой вставки поз.3 и внутреннюю поверхность трубы поз.1 и передает им тепло. Одновременно тепло к внутренней поверхности трубы поз.1 передается теплопроводностью по винтовой вставке поз.3.

Эффективность теплоотдачи от среды в трубе поз.1 к ее стенке в первом приближении пропорциональна критерию Рейнольдса (Re), а тот, в свою очередь, пропорционален скорости среды относительно стенки при прочих равных условиях. Если во внутреннюю трубу не устанавливать винтовую вставку, то скорость среды внутри нее будет равна скорости таковой на входе в трубу (т.е. по стрелке Б, фиг.1) и путь среды будет равен длине взятого отрезка трубы.

При установленной вставке и при шаге ее винтовой поверхности равной, например, внутреннему диаметру трубы поз.1 путь среды относительно стенки увеличивается в 3,14 раза. Но, чтобы вся среда, поступающая в винтовую полость трубы поз.1 успела пройти этот отрезок трубы, скорость ее должна возрасти также в 3,14 раза. Пропорционально этому увеличивается критерий Рейнольдса и, следовательно, также пропорционально и коэффициент теплоотдачи.

Таким образом, коэффициент теплоотдачи от жидкости к стенке увеличивается по меньшей мере в 3,14 раза. В действительности увеличение будет больше, поскольку при оценке не были учтены два существенных фактора, способствующих повышению коэффициента теплоотдачи:

а) турбулизация пограничного слоя у внутренней стенки трубы;

б) передача тепла к внутренней стенке за счет теплопроводности винтовой вставки.

Оценить степень влияния названных факторов на повышение коэффициента теплоотдачи точно не представляется возможным, а примерно это - 40-80%.

Но, даже без учета этих двух факторов, увеличение коэффициента теплоотдачи весьма впечатляюще. Тем более, что возможно его увеличение еще в несколько раз. Для этого следует только уменьшить шаг винтовой вставки во внутренней трубе. Например, при уменьшении этого шага в три раза, примерно во столько же раз увеличатся соответственно скорость среды относительно внутренней стенки внутренней трубы, критерий Рейнольдса и в целом коэффициент теплоотдачи.

Аналогичная картина наблюдается в межтрубном пространстве. Т.е. с установленной винтовой вставкой, в зависимости от внутреннего диаметра наружной трубы и шага винтовой вставки в ней, увеличивается коэффициент теплоотдачи от стенки внутренней трубы к межтрубной среде примерно во столько же раз, как и от среды во внутренней трубе к ее стенке.

Использование изобретения позволяет интенсифицировать теплообмен как за счет улучшения гидродинамической структуры течения и повышения переносных свойств среды, так и за счет фактора развития теплообменной поверхности. Это влечет за собой сокращение необходимой длины теплообменников типа «труба в трубе» до десяти и более раз и соответствующее уменьшение массы и габаритных размеров теплообменников.