ТЕПЛООБМЕННИК ТИПА "ТРУБА В ТРУБЕ" Российский патент 1995 года по МПК F28D7/10 

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано для теплообмена газовых и жидких сред в различных отраслях промышленности.

Известен ряд теплообменников типа "труба в трубе", например теплообменник, во внутренней трубе которого в контакте с ней размещена турбулизирующая вставка, выполненная в виде набора контактирующих между собой дисков с отверстиями, расположенными концентричными рядами и имеющими форму обращенных один к другому меньшими основаниями равновысоких усеченных конусов, причем смежные конусы сопряжены большими основаниями, а их меньшие основания имеют диаметр, равномерно уменьшающийся от периферийного ряда к центральному, смежные вставки установлены со смещением отверстия, а внутренняя полость внутренней трубы выполнена конической [1].

Теплообменник типа "труба в трубе", внутренняя из которых снабжена ребрами, контактирующими с внутренней поверхностью наружной трубы, содержащей на входе в межтрубное пространство кольцевую распределительную камеру переменного сечения, уменьшающегося в направлении к входу в межтрубное пространство, и подводящий патрубок, подсоединенный к камере, выполненной в продольном сечении ступенчатой формы с образованием смесительной и дросселирующей ступеней, ребра выполнены продольными для разделения межтрубного пространства на изолированные каналы, причем площадь поперечного сечения смесительной ступени в 4-6 раз больше площади дросселирующей и в 10-15 раз- площади поперечного сечения патрубка, а площадь дросселирующей ступени больше в 1,3-1,5 раза площади каналов [2].

Недостатком известных теплообменников типа "труба в трубе" являются сложность конструкции и значительные габариты, а также недостаточная интенсификация теплообмена.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является теплообменник типа "труба в трубе", выбранный в качестве прототипа, изготавливаемый путем предварительного формирования турбулизирующих элементов и установки их в виде пакета во внутренней трубе и в межтрубном пространстве с образованием поперечного оребрения, турбулизирующие элементы формируют двух типоразмеров, соответствующих сечению внутренней трубы и межтрубного пространства, жестко закрепляют их на внутренней трубе по обе ее стороны с образованием пакета, который затем вводят в наружную трубу, при изготовлении турбулизирующих элементов из спеченного металла пакет к внутренней трубе крепят путем спекания в восстановительной среде [3].

Недостатком известного теплообменника типа "труба в трубе" является отсутствие циркуляции теплоносителя через стенки внутренней трубы и взаимодействие теплоносителя с охлаждаемой средой, что ведет к снижению теплопередачи. Для повышения теплопередачи необходимо введение большого количества турбулизирующих элементов, а это влечет за собой усложнение конструкции и увеличение габаритов.

Целью изобретения является упрощение конструкции теплообменника.

Цель достигается тем, что в известной конструкции теплообменника типа "труба в трубе", содержащей внутреннюю и наружную трубы, пористые турбулизирующие перегородки, размещенные во внутренней трубе и между трубами и контактирующие соответственно с внутренней поверхностью внутренней трубы и внутренней поверхностью наружной и наружной поверхностью внутренней труб, и расположенные с каждого торца теплообменника входное отверстие для одной среды и выходное - для другой, пористые перегородки установлены в одной диаметральной плоскости, разделяя полости внутренней трубы и между трубами на входные и выходные отсеки, а центры входных и выходных отверстий для рабочих сред смещены относительно центра соответствующих труб на четверть диаметра последних.

Заявленное техническое решение отличается от прототипа тем, что пористые перегородки установлены в одной диаметральной плоскости, разделяя полости внутренней трубы и между трубами на входные и выходные отсеки, а центры входных и выходных отверстий для рабочих сред смещены относительно центра соответствующих труб на четверть диаметров последних. Эти отличия позволяют сделать вывод о соответствии заявленного технического решения критерию изобретения "новизна".

Признаки, отличающие техническое решение от прототипа, не выявлены при сопоставительном анализе заявленного технического решения с известными решениями (аналогами) в данной области техники и смежных областях, это позволяет сделать вывод о соответствии заявленного технического решения критерию изобретения "существенные отличия".

На фиг. 1 показан теплообменник в разрезе; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1.

Теплообменник типа "труба в трубе" содержит наполнитель 1, размещенный во внутренней трубе 2, пористый наполнитель 3, размещенный в наружной трубе 4. Пористые наполнители 1 и 3 представляют собой пластины, расположенные по оси теплообменника, изготовленные совместным спеканием, для облегчения лучшей теплопередачи от одного элемента к другому.

Теплообменник работает следующим образом.

Поток охлаждаемой среды поступает в одну половину теплообменника, проходит через пористый наполнитель 1 во вторую половину, разделяясь на множество микропотоков, отдавая тепло материалу наполнителя и стенкам сосуда (внутренней трубы), а также материалу пористого наполнителя 3 и стенке наружного сосуда (наружной трубы). Теплоноситель, также проходя из одной половины теплообменника в другую через пористый наполнитель микропотоками, отнимает тепло от материала пористого наполнителя 3, стенок теплообменника 2 и 4 и выводит его из теплообменника.

Теплопередача происходит в три этапа: F₁λ₁ - от охлаждаемой среды к материалу пористого наполнителя. При этом определяется коэффициент теплопроводности охлаждаемой среды λ₁ и площадь теплопередачи, которая равна суммарной площади всех пор пористого наполнителя 1 - F₁; F₂λ₂ - отобранное тепло передается от материала пористого наполнителя через стенки внутренней трубы к второму пористому наполнителю с теплопроводностью λ₂, через площадь контакта первого наполнителя к второму через сплошную стенку с учетом площади поверхности - F₂; F₃λ₃ - от второго пористого наполнителя с суммарной площадью F₃ происходит теплопередача к теплоносителю с коэффициентом теплопередачи λ₃.

Оптимальные параметры теплопередачи будут при условии равенства следующих значений:
F₁λ₁ = F₂λ₂ = F₃λ₃.

Следовательно, интенсивность теплообмена определяется произведением коэффициента теплопроводности материала наполнителя и стенок и суммарной площади теплопередачи теплообменника.

Использование заявляемого изобретения обеспечивает по сравнению с известными следующие преимущества.

При соблюдении вышеприведенного равенства можно получать оптимальные режимы теплообмена, которые подбирают индивидуально для каждой охлаждаемой среды и теплоносителя в зависимости от теплотехнических характеристик сред.

Оптимизация конструкции теплообменника позволяет получать теплопередачу при одинаковых габаритах на порядок выше, чем в прототипе и аналогах, и на два порядка выше, чем в кожухотрубном теплообменнике.

Упрощается конструкция и технология изготовления теплообменника, уменьшаются габариты и затраты на изготовление.

Простота и механическая жесткость конструкции расширяют область применения теплообменника по давлению до 30 МПа.

Использование: в теплотехнике. Сущность изобретения: упрощение конструкции обеспечивается размещением пористых турбулизирующих перегородок в одной диаметральной плоскости и смещением центров торцовых входных и выходных отверстий относительно оси труб на четверть диаметра последних. 2 ил.

ТЕПЛООБМЕННИК ТИПА "ТРУБА В ТРУБЕ", содержащий внутреннюю и наружную трубы, пористые турбулизирующие перегородки, размещенные во внутренней трубе и между трубами и контактирующие соответственно с внутренней поверхностью внутренней трубы и внутренней поверхностью наружной и наружной поверхностью внутренней труб, и расположенные с каждого торца теплообменника входное отверстие для одной рабочей среды и выходное - для другой, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции, пористые перегородки установлены в одной диаметральной плоскости, разделяя полости внутренней трубы и между трубами на входные и выходные отсеки, а центры входных и выходных отверстий для рабочих сред смещены относительно оси соответствующих труб на 1/4 диаметра последних.