ТРУБА ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА Российский патент 1995 года по МПК F28F1/10 F28F21/02 F28F21/06 

Изобретение относится к теплообменным и теплопередающим устройствам и может быть использовано в трубчатых изделиях теплообменных аппаратов, применяемых в теплоэнергетической, химической и других отраслях промышленности.

Известна армированная тепловая труба, содержащая полимерную оболочку с упрочняющими элементами и радиальными выступами, описанная в изобретении на способ ее изготовления [1]
К недостаткам известной трубы следует отнести низкие теплопроводные характеристики ее стенки в радиальном направлении.

Известна также теплопроводная труба с применением в ее ребрах теплопроводного материала, описанная в изобретении на способ ее изготовления [2, 3]
Указанная труба является сложной в изготовлении и обладает малоэффективными свойствами отвода тепла в радиальном направлении ее стенки.

Наиболее близкой по технической сущности, выбранной в качестве прототипа, является труба теплообменного аппарата, содержащая термопластичную оболочку с равномерно расположенными на ней радиальными элементами, усиленную наружной армирующей оболочкой [4]
Эта труба обладает аналогичными недостатками, что и известные трубы.

В теплообменных трубах [5] предложено материал ребер выполнять с большей теплопроводностью по сравнению с материалом стенки трубы.

Однако и это техническое решение по повышению теплопроводности теплообменных труб является малоэффективным.

Основной задачей разработки является создание такой трубы теплообменного аппарата, которая обладала бы максимальными теплопроводными характеристиками в радиальном направлении через ее стенку между теплообменными средами.

Цель изобретения повышение эффективности теплопроводности стенки трубчатого элемента для теплообменного аппарата с достижением наивысших результатов без увеличения габаритов теплопроводных труб.

Цель достигается использованием углеродных волокон, обладающих максимальной теплопроводностью по сравнению с другими известными волокнами.

Для этого в трубе теплообменного аппарата, содержащей термопластичную оболочку с равномерно расположенными на ней радиальными элементами, усиленную наружной армирующей оболочкой, ее радиальные элементы выполнены в виде продольных пластин из параллельных, трансверсально расположенных к термопластичной оболочке, углеродных волокон и термопластичного связующего при их объемном соотношении, равном (1:1)-(1:0,1), скрепленных между собой и термопластичной оболочкой термопластичным связующим, а наружная армирующая оболочка выполнена сетчатой из спиральных перекрещивающихся высокомодульных нитей из стекловолокон, причем суммарная площадь ячеек наружной армирующей оболочки равна площади внутренней поверхности, а площадь торцевых срезов пластин, расположенных заподлицо с поверхностями трубы, составляет 50-90% от их величины.

На фиг. 1 представлен общий вид трубы теплообменного аппарата в изометрии; на фиг.2 продольное сечение трубы; на фиг.3 поперечное сечение трубы; на фиг.4 узел крепления радиальной пластины во внутренней оболочке; на фиг.5 ячеистая структура наружной армирующей оболочки.

Труба теплообменного аппарата содержит термопластичную оболочку 1 с равномерно расположенными на ней радиальными элементами 2, усиленную наружной армирующей оболочкой 3. Радиальные элементы 2 выполнены в виде продольных пластин из параллельных, трансверсально расположенных к термопластичной оболочке 1, углеродных волокон 4 и термопластичного связующего 5 в объемном соотношении равном (1:1)-(1:0,1), скрепленных между собой и термопластичной оболочкой 1 термопластичным связующим 5. Наружная армирующая оболочка 3 выполнена сетчатой из спиральных перекрещивающихся нитей 6 из высокомодульных стекловолокон, скрепленных термопластичным связующим 5. Суммарная площадь ячеек 7 наружной армирующей оболочки 3 равна площади внутренней поверхности 8 трубы, а площадь торцевых срезов 9 пластин 2 составляет 50-90% ее величины. Торцевые срезы 9 пластин 2 расположены заподлицо с поверхностью 8 трубы. В качестве термопластичного материала использовался полисульфон.

Объемное соотношение углеродных волокон и термопластичного связующего выбрано исходя как из технологических возможностей пропитки термопластичным связующим углеродных волокон, так и возможности предельного насыщения пластинами, изготовленными на их основе, с расположением их в радиальном направлении трубы; наличие термопластичного связующего меньше минимального, указанного в соотношении, не обеспечивает гарантированной склейки углеродных волокон между собой в пластинах, что отрицательно сказывается на обеспечении надежной герметизации трубы, изготовленной с их использованием, в радиальном направлении и является неприемлемым. При минимальном содержании термопластичного связующего в указанном пределе обеспечивается наиболее полное насыщение пластин углеродными волокнами, что является выгодным для получения максимальных теплопроводных характеристик трубы в радиальном направлении. На соотношение термопластичного связующего в пластинах очень сильное влияние оказывает его вязкость. Вязкость расплава меньше, если выше температура переработки полимерного материала, и, наоборот, выше, если температура его переработки ниже установленной, что диктует поддержание режимов в заданных пределах при переработке полимеров. Максимальное соотношение термопластичного связующего в трансверсальных пластинах, установленных радиально, связано с образованием на их поверхности слоя полимера, что повышает надежность герметизации углеродных волокон. Содержание термопластичного полимера выше максимального значения уменьшает процент содержания пластин на пленочной термопластичной основе 1 трубы, пластины утолщаются, а количество углеродных волокон, максимально возможных для их насыщения, не увеличивается, что сказывается на уменьшении теплопроводности трубы в радиальном направлении.

Кроме того, содержание радиальных пластин ограничивается суммарными площадями их среза, равными 50-90% площади ячеек наружной армирующей оболочки 3. Насыщение выше 90% значительно уменьшает несущую способность наружной армирующей оболочки 3 трубы. Насыщение менее 50% резко уменьшает равномерность распределения теплопроводности через стенку трубы, что становится невыгодным использовать такую трубу в теплообменниках.

Использование трубы в теплообменнике заключается в следующем. При подаче теплообменных сред по ее каналу и вокруг трубы, между ним при наличии перепада температур происходит теплопередача через углеродные волокна в пластинах. Чем больше углеродных волокон в пластинах тем интенсивнее идет через них теплоотвод, и, наоборот, когда их меньше.

Опытно-экспериментальные работы, проведенные с изготовлением и испытанием труб теплообменного аппарата с использованием предлагаемого технического решения, показали положительные результаты по получению труб с повышенными теплопроводными характеристиками. Получение таких высокотеплопроводных труб требует организации высокомеханизированного производства нового направления.

Таким образом, предложенное техническое решение при реализации в трубах теплообменного аппарата с получением новых свойств является высокоэффективным, а труба теплообменника на его основе промышленно воспроизводимой.

Использование: в трубчатых изделиях теплообменных аппаратов, применяемых в теплоэнергетической, химической и других отраслях промышленности в их аналогичных областях техники. Сущность изобретения: труба содержит термопластическую оболочку 1 с равномерно расположенными на ней радиальными элементами 2, усиленную наружной армирующей оболочкой 3. Элементы 2 выполнены в виде пластин из параллельных углеродных волокон и термопластического связующего 5 в объемном соотношении равном (1 1) (1 0,1). Площаль срезов пластин 2 составляет 50 90% площади внутренней поверхности трубы. 5 ил.

ТРУБА ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА, содержащая термопластичную оболочку с равномерно расположенными на ней радиальными элементами, усиленную наружной армирующей оболочкой, отличающаяся тем, что ее радиальные элементы выполнены в виде пластин из параллельных трансверсально расположенных к термопластичной оболочке углеродных волокон и термопластичного связующего при их объемном соотношении от 1:1 до 1:0,1, скрепленных между собой и термопластичной оболочкой термопластичным связующим, а наружная армирующая оболочка выполнена сетчаткой из спиральных перекрещивающихся высокомодульных нитей из стеклянных волокон, причем суммарная площадь ячеек наружной армирующей оболочки равна площади внутренней поверхности, а площадь торцевых срезов пластин, расположенных заподлицо с поверхностями трубы, составляет 50 90% от их величины.