RU181284U1 - Устройство трубы для теплообменных аппаратов - Google Patents

Abstract

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.Задачей полезной модели является расширение возможностей для увеличения массовой скорости теплообмена. Технический результат заключается в реализации этого назначения за счет формирования дополнительных поверхностей для теплообмена в толще целевой и вспомогательной жидкостей с одновременным увеличением скорости отвода тепла из толщи потока жидкости или подвода тепла в толщу жидкости за счет теплопроводности.Это достигается тем, что в отличие от известного технического решения в зоне теплообмена, включающей три соосные трубы со сплошными стенками, предлагается промежуточная труба имеющая стенку, образованную двумя соосными тонкостенными цилиндрическими формами разного диаметра, связанных между собой радиальными перемычками, имеющими жесткое, неразъемное и герметичное соединение с каждой из цилиндрических форм, причем перемычки имеют продолжение за пределы толщины стенки, образуя ребра как с внешней так и с внутренней поверхности стенки трубы. Количество перемычек, с одной стороны, обеспечивает жесткость трубы с полой стенкой, а с другой стороны предоставляет дополнительную поверхность для отвода тепла из толщи потока жидкостей или подвода тепла в толщу жидкостей: - для целевой жидкости, протекающей через сквозные полости в стенке, и для вспомогательной жидкости, обтекающей эту стенку.

Description

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.

Известна полезная модель теплообменника типа труба в трубе, содержащий наружную трубу и внутреннюю трубу, которая выполнена в виде сильфона и разделяет область теплообмена на два канала, по одному из них движется охлаждаемая жидкость, а по другому каналу - охлаждающая жидкость или наоборот (см. патент RU на полезную модель №28915, опубл. 20.04.2003, кл. МПК F28D 7/10). Недостатком такого предложения, несмотря на увеличение поверхности, через которую может осуществляется теплообмен, является то, что в теплообмене участвует только часть жидкостей, находящаяся в области гофров сильфона. Более того между гофрами скорее всего будут условия для ламинарного течения жидкостей вдоль поверхности, при котором скорость теплообмена через эту поверхность оказывается существенно меньше, чем при турбулентном течении жидкости.

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.20.06.2013, 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 JР 20150233169 20151130, кл. МПК F28D 7/10; F28D 7/12; F28F 1/42) (прототип).

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.

Задачей полезной модели является расширение возможностей для увеличения массовой скорости теплообмена. Технический результат заключается в реализации этого назначения за счет формирования дополнительных поверхностей для теплообмена в толще целевой и вспомогательной жидкостей с одновременным увеличением скорости отвода тепла из толщи потока жидкости или подвода тепла в толщу жидкости за счет теплопроводности.

Это достигается тем, что в отличие от известного технического решения в зоне теплообмена, включающей три соосные трубы со сплошными стенками, предлагается промежуточная труба имеющая стенку, образованную двумя соосными тонкостенными цилиндрическими формами разного диаметра, связанных между собой радиальными перемычками, имеющими жесткое, неразъемное и герметичное соединение с каждой из цилиндрических форм, причем перемычки имеют продолжение за пределы толщины стенки, образуя ребра как с внешней так и с внутренней поверхности стенки трубы. Количество перемычек, с одной стороны, обеспечивает жесткость трубы с полой стенкой, а с другой стороны предоставляет дополнительную поверхность для отвода тепла из толщи потока жидкостей или подвода тепла в толщу жидкостей: - для целевой жидкости, протекающей через сквозные полости в стенке, и для вспомогательной жидкости, обтекающей эту стенку.

Приведенные рисунки иллюстрируют различные аспекты предлагаемой полезной модели и позволяют раскрыть ее суть.

На фиг. 1 представлено схематическое изображение поперечного сечения трубы со сквозными полостями в стенке и ребрами с внешней и с внутренней поверхностей стенки трубы для теплообменных аппаратов.

На фиг. 2 представлено схематическое изображение поперечного сечение зоны теплообмена теплообменного аппарата с промежуточной трубой, имеющей стенку со сквозными полостями и ребра вдоль внутренней и внешней ее поверхностей

На фиг. 3а представлено схематическое изображение фрагмента перемычки одного типа как исходного элемента для формирования трубы со сквозными полостями в стенке.

На фиг. 3б представлено схематическое изображение фрагмента перемычки другого типа как исходного элемента для формирования трубы со сквозными полостями в стенке.

на фиг. 3в представлено схематическое изображение фрагмента тонкостенной цилиндрической формы со щелевыми отверстиями как исходного элемента для формирования трубы со сквозными полостями в стенке.

На фиг. 4 представлено схематическое изображение поперечного сечения трубы со сквозными полостями в стенке и дополнительными ребрами с внутренней и внешней сторон стенки, которую можно применить в качестве промежуточной трубы в зоне теплообмена.

Устройство трубы, схематически представленное на фиг. 1, содержит тонкостенную цилиндрическую форму (1), и тонкостенную цилиндрическую форму (2), диаметр которой больше чем диаметр формы (1), перемычки (3) и (4), жестко связывающие обе цилиндрические формы, позволяя формировать стенку трубы со сквозными полостями «Б» и вместе с этим перемычки имеют выступы за пределы стенки трубы, образующие ребра как с внутренней, так и с наружной, поверхностей полой стенки. Жесткое и герметичное соединение (5) между перемычками и цилиндрическими формами вдоль всей длины линий контакта между ними.

На фиг. 2 представлено схематическое изображение поперечного сечения зоны теплообмена теплообменного аппарата типа «труба в трубе», включающее в качестве промежуточной трубы трубу предлагаемого устройства и позволяющее раскрыть ее участие в процессе теплообмена. Промежуточная труба предлагаемого устройства, представлена на фиг. 2 конструктивными элементами (1), (2), (3), (4) и (5), сама размещена внутри цилиндрической трубы со сплошной стенкой (8), а внутри нее размещена цилиндрическая труба со сплошной стенкой (9). В результате образуются каналы «А», «Б» и «В» для протекания жидкостей, участвующих в теплообмене. Канал «Б» предусмотрен для протекания «целевой» жидкости, а каналы «А» и «В» для протекания «вспомогательной» жидкости. В процессе теплообмена, в котором, для упрощения его описания, будем считать, что «целевую» жидкость следует охлаждать, устройство работает следующим образом. При протекании «целевой» жидкости по каналу «Б» тепло от потока жидкости непосредственно отводится с его поверхности, находящейся в контакте с поверхностями цилиндрических форм (1) и (2) полой стенки. Вместе с этим непосредственный отвод тепла осуществляется еще из внутренних слоев потока жидкости из-за наличия контакта этих слоев с частями перемычек (3) и (4), находящимися внутри пространства канала «Б». По перемычкам (3) и (4) осуществляется дополнительный отвод тепла за счет теплопроводности перемычек из толщи «целевой» жидкости в толщу потока «вспомогательной» жидкости, протекающего как по каналу «А», так и по каналу «В». В результате на выходе из канала «Б» следует ожидать более значительное уменьшение температуры «целевой» жидкости, а на выходе из каналов «А» и «В» поток «вспомогательной» жидкости будет иметь более высокую температуру, что отражает увеличение массовой скорости теплообмена, которая собственно является одной из составляющих показателя производительности теплообменных аппаратов.

В рассмотренном на фиг. 2 устройстве зоны теплообмена жидкость, текущая по каналу «Д», непосредственного участия в процессе теплообмена не принимает, что открывает возможность для исключения внутренней трубы (9) из состава зоны теплообмена.

Сопоставление предлагаемого технического решения с прототипом показывает, что заявленное решение отличается тем, что промежуточная труба имеет стенку со сквозными полостями, образованную двумя соосными тонкостенными цилиндрическими формами разного диаметра, которые жестко и герметично соединены радиальными перемычками, и ребра вдоль внешней поверхности и внутренней поверхности стенки, позволяющие увеличить площадь контакта для теплообмена между «целевой» и «вспомогательной» жидкостями. Наличие приведенных отличительных от прототипа признаков предлагаемого устройства и его работы показывает, что полезная модель соответствует критерию «новизна».

Обратим внимание на то, что на фиг. 1 обозначено наличие чередующихся перемычек двух видов: - (3) и (4) с учетом возможного технологического процесса изготовления цилиндрической формы (2) трубы с полостями в стенке.

На фиг. 3а, фиг. 3б и фиг. 3в представлено схематическое изображение исходных элементов для формирования трубы со сквозными полостями в стенке, представленной на фиг. 1, которые соответствуют возможному технологическому процессу, основанному на применении известных способов обработки металлов. Вид перемычки типа (3) представлен на фиг. 3а, а вид перемычки типа (4) - на фиг. 3б. Цилиндрическая форма (1) изображена на фиг. 3в.

На фиг. 3а и фиг. 3б представлены два вида плоских перемычек, а на фиг. 3в представлено изображение тонкостенной цилиндрической формы со щелевыми отверстиями, расположенными так, что допускают очевидное соединение формы с плоскими перемычками перед тем как сделать это соединение жестким, неразъемным и герметичным. Отметим, что в качестве одного из известных способов изготовления таких сквозных щелевых отверстий в тонкостенных деталях можно использовать электроискровую обработку металлов.

В качестве тонкостенных цилиндрических форм могут быть использованы тонкостенные трубы, выпускаемые промышленностью, или они могут быть изготовлены из листового материала типа жести, имеющего толщину от 0,10 до 1,20 мм, при этом жесткость трубы с полостями в стенке обеспечивается конструкцией перемычек и их жестким соединением с цилиндрическими формами, а также частотой перемычек в полой стенке.

В тоже время отметим, что современные способы механической обработки металлов использующие цифровые технологии позволяют создавать трубы с полыми стенками, используя перемычки, имеющих отличную от плоской геометрическую форму, например, винтовую или волнообразную, и делать щелевые сквозные отверстия в тонкостенных цилиндрических формах позволяющие соединять эти формы перемычками, имеющими уже пространственную форму.

Другой вариант развития предлагаемого технического решения заключается в том, что основная площадь контакта «целевой жидкости», через которую осуществляется теплообмен непосредственно, будет определяться в основном площадью перемычек и их теплопроводностью. Такая ситуация будет возникать при стремлении увеличивать массовую скорость за счет увеличения зазора между тонкостенными геометрическими формами, с одновременным увеличением частоты перемычек.

Для увеличения теплообмена из толщи «целевой» жидкости в толщу «вспомогательной» жидкости с внутренней и с наружной поверхностей полой стенки введены дополнительные теплопроводящие ребра, имеющие проникновение внутрь полой стенки трубы.

На фиг. 4 представлено схематическое изображение поперечного сечения промежуточной трубы со сквозными полостями в стенке и дополнительными ребрами с внутренней и с внешней сторон стенки для увеличения массовой скорости теплообмена. В отличии от изображения на фиг. 1 появились дополнительные ребра с внешней (7) и ребра внутренней (6) сторон полой стенки и эти ребра имеют проникновение внутрь полой стенки. О форме вставок, образующих дополнительные ребра, отметим, что они похожи на форму перемычек (3) (см. фиг. 3а).

Заявляемое техническое решение устройства трубы для зоны теплообмена теплообменных аппаратов отвечает всем критериям патентоспособности полезной модели.

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 типа «труб в трубе» и современный уровень техники в областях, имеющих отношение к обработке металлов, позволяющий реализовывать предлагаемое техническое решение.

Claims (2)

1. Устройство трубы для зоны теплообмена теплообменных аппаратов типа «труба в трубе», содержащей промежуточную трубу, отличающееся тем, что промежуточная труба сформирована двумя соосными тонкостенными цилиндрическими формами, имеющими разные диаметры и жестко и герметично соединенными перемычками с образованием полой стенки со сквозными полостями, причем перемычки имеют выступание за пределы внутренней и внешней поверхностей полой стенки промежуточной трубы, образуя ребра на обеих поверхностях.

2. Устройство трубы для зоны теплообмена по п. 1, отличающееся тем, что помимо ребер, связанных с перемычками, введены дополнительные ребра с внутренней и наружной поверхностей стенки, имеющие проникновение внутрь полой стенки трубы.

Images