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

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

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

Известна теплопроводная труба с применением в ее ребрах теплопроводного материала [2]
Эта 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 предлагаемому техническому решению является труба теплообменного аппарата, содержащая термопластичную оболочку с равномерно расположенными на ней армирующими элементами, усиленную наружной армирующей оболочкой [3]
Эта труба обладает аналогичными недостатками, что и известные трубы.

В теплопроводных трубах [4] 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.

Задачей изобретения 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 путем его намотки лентой на ребро без увеличения габаритов теплопроводных труб, с использованием в ней углеродных волокон.

Цель достигается тем, что в трубе теплообменного аппарата, содержащий термопластичную оболочку с равномерно расположенными на ней армирующими элементами, усиленную наружной армирующей оболочкой, ее наружная армирующая оболочка выполнена сетчатой из спирально перекрещивающихся нитей из высокомодульных стекловолокон, а термопластичная оболочка в виде скрепленных между собой витками цилиндрической винтовой спирали термопластичной ленты, расположенной плоскостью под углом 15-90^о к внутренней поверхности трубы, армированной по длине нитями из высокомодульных стекловолокон и настилом поперечно расположенных сплошных стержней круглого или граненого профиля или нитей из параллельных углеродных волокон при их объемном соотношении равном (1: 1)-(1: 0,1), причем суммарная площадь ячеек наружной армирующей сетчатой оболочки равна суммарной площади торцевых срезов стержней или нитей, составляющей 50-90% площади внутренней поверхности трубы.

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 армирующего элемента во внутренней оболочке; на фиг. 5 ячеистая структура наружной армирующей оболочки.

Труба теплообменного аппарата содержит термопластичную оболочку 1 с равномерно расположенными на ней армирующими элементами 2, усиленную наружной армирующей оболочкой 3. Наружная оболочка 3 выполнена сетчатой из спиральных перекрещивающихся нитей 4 из высокомодульных стекловолокон. Термопластичная оболочка 1 выполнена в виде скрепленных между собой витками 5 цилиндрической винтовой спирали 6 термопластичной ленты 7, расположенной плоскостью под углом 15-90^о к внутренней поверхности 8 трубы. Термопластичная лента 7 армирована по длине витков 5 продольными стекловолокнами 9 и настилом из поперечно расположенных сплошных стержней круглого или граненого профиля или нитей 2 из параллельных углеродных волокон и термопластичного связующего при их объемном соотношении равном (1:1)-(1:0,1). Суммарная площадь ячеек 10 наружной армирующей оболочки 3 равна суммарной площади торцевых срезов 13 стержней или нитей 2, составляющей 50-90% площади внутренней поверхности 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 стержнями или нитями, изготовленными на их основе, трубы теплообменного аппарата в радиальном направлении с наклоном ленты.

Наличие термопластичного связующего меньше максимального, указанного в соотношении, не обеспечивает гарантированной склейки углеродных волокон между собой в армирующих элементах, что отрицательно сказывается на обеспечении надежности герметизации трубчатого элемента в радиальном направлении и является неприемлемым. При минимальном содержании термопластичного связующего в указанном пределе обеспечивается наиболее полное насыщение стержней или нитей углеродными волокнами, что является выгодным для получения максимальных теплопроводных характеристик трубы теплообменного аппарата в радиальном направлении. На соотношение термопластичного связующего в стержнях или нитях очень сильное влияние оказывает его вязкость. Вязкость расплава меньше, если выше температура переработки термопластичного материала, и, наоборот, вязкость выше, если температура его переработки ниже установленной, что диктует поддержание режимов в заданных пределах при переработке полимеров. Максимальное соотношение термопластичного связующего в армирующих элементах связано с образованием вокруг них оболочки полимера, что повышает надежность герметизации углеродных волокон. Содержание полимера выше максимального значения уменьшает процент содержания армирующих элементов в стенке трубы, что сказывается на уменьшении теплопроводных характеристик трубы в поперечном направлении ее стенки.

Кроме того, содержание армирующих элементов ограничивается суммарными площадями их среза, равными 50-90% площади внутренней поверхности трубы.

Насыщение армирующими элементами выше 90% значительно уменьшает содержание армирующих нитей наружной оболочки, что уменьшает радиальную прочность трубы, ее надежность понижается и возможности применения ограничиваются. Насыщение трубы армирующими элементами меньше 50% резко уменьшает теплопроводные характеристики трубы в поперечном направлении стенки, что становится невыгодным использовать такую трубу в теплообменниках.

Использование трубы в теплообменниках аппарата заключается в следующем. При подаче теплообменных сред по каналу трубы и вокруг трубы, между ними при наличии перепада температур происходит теплопередача через армирующие элементы, насыщенные углеродными волокнами. Чем больше углеродных волокон в армирующих элементах, 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 теплопроводных труб требует развития нового направления техники.

Таким образом, предлагаемое техническое решение при реализации в трубах для теплообменных аппаратов с получением новых свойств является высокоэффективным, такие трубы промышленно воспроизводимы.

Использование: в теплообменной технике для теплоэнергетической, химической отраслей, в частности в трубах теплообменного аппарата. Сущность изобретения: для повышения эффективности теплопроводности стенки трубы в радиальном направлении труба содержит термопластичную оболочку с радиальными элементами, усиленную наружной армирующей оболочкой. Радиальные элементы закреплены на витках оболочки, выполненной в виде цилиндрической винтовой спирали. Элементы М выполнены из углеродных волокон и термопластичного связующего в объемном соотношении равном (1 1) (1 0,1). Суммарная площадь срезов стержней или нитей равна площади ячеек оболочки и составляет 50 90% площади внутренней поверхности трубы. 5 ил.

ТРУБА ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА, содержащая термопластичную оболочку с равномерно расположенными на ней армирующими элементами, усиленной армирующей оболочкой, отличающаяся тем, что наружная армирующая оболочка трубы выполнена сетчаткой из спирально перекрещивающихся нитей из высокомодульных стеклянных волокон, а термопластичная оболочка в виде скрепленных между собой витками цилиндрической винтовой спирали термопластичной ленты, расположенной плоскостью под углом 15 90^o к внутренней поверхности трубы, армированной по длине нитями из высокомодульных стеклянных волокон с настилом поперечно расположенных сплошных стержней круглого или граненого профиля или нитей из параллельных углеродных волокон при их объемном соотношении от 1:1 до 1:0,1, причем суммарная площадь ячеек наружной армирующей сетчаткой оболочки равна суммарной площади торцевых срезов стержней или нитей, составляющей 50 90% площади внутренней поверхности трубы.