ТЕПЛООБМЕННИК ТИПА "ТРУБА В ТРУБЕ" Российский патент 1998 года по МПК F28D7/14 

Изобретение относится к теплообменной аппаратуре и может быть использовано в быту и в различных отраслях промышленности.

В настоящее время в промышленности и в быту широко используются теплообменники (Справочник по сантехнике на предприятиях бытового обслуживания. Бахеньков Н. Б. ., Кузнецов Б.В., с.25). Такой теплообменник имеет корпус в виде барабана, внутри которого между трубными досками расположены латунные трубки диаметром 16 мм. Теплопередача осуществляется через стенки латунных трубок. Для увеличения поверхности теплопередачи увеличивают количество трубок, в связи с чем такой теплообменник сложен в изготовлении и имеет большие габариты.

Попытки сделать теплообменник "труба в трубе" приводили к созданию теплообменников с большой длиной. Попытки уменьшить длину теплообменника сводились к увеличению поверхности нагрева за счет дополнительных устройств (приспособлений) - ребер, выполненных преимущественно в виде винтовой спирали. С одной стороны, это не давало желаемого уменьшения длины, а с другой стороны, приводило к усложнению конструкции.

Известен теплообменный элемент типа "труба в трубе" (авт.св. N 932184), в котором внутренняя труба имеет ступенчато изменяющееся сечение по ходу среды, а наружная труба также имеет живое сечение, ступенчато изменяющееся по ходу среды, и ее ступени смещены относительно ступеней внутренней трубы, причем последние снабжены на выходном торце пазами, а наружная и внутренняя трубы выполнены в виде сильфонов, пазы - в виде гофр.

Недостатком известного элемента является то, что при выполнении конструкции из тонкостенных труб эффект от ступенчатого изменения сечения незначителен из-за малой разницы в диаметрах; кроме того, улучшение теплообмена происходит только в местах ступенчатого перехода. Если же каждый элемент наружной или внутренней трубы имеет значительную протяженность, то несмотря на наличие ступеней на его поверхности формируется пограничный слой, препятствующий температуре из-за того, что каждый элемент труб имеет постоянное поперечное сечение, градиент давления, усиливающий турбулизацию и интенсифицирующий теплообмен, возникает только в местах перехода от одного сечения к другому.

Известен теплообменник типа "труба в трубе" (авт.св. N 1695119), содержащий спиральное оребрение, размещенное на внутренней трубе с зазором относительно наружной трубы, причем последняя имеет подводящий и отводящий патрубки межтрубной среды, расположенные тангенциально, а на поверхности оребрения со стороны подводящего патрубка межтрубной среды выполнены нагревающие лопатки, примыкающие к кромке ребер и расположенные с зазором относительно внутренней трубы.

Наличие лопаток обеспечивает направление потока теплоносителя к поверхности внутренней трубы, что увеличивает теплосъем, однако такая конструкция сложна в изготовлении.

Известен теплообменник (авт.св. N 1511567), содержащий установленные с зазором переменной ширины наружную и внутреннюю трубы, последняя из которых имеет круглое сечение и снабжена спиральным оребрением, примыкающим к стенке наружной трубы, причем наружная труба в сечении имеет форму эллипса и установлена соосно с внутренней трубой.

Наиболее близким к заявляемому решению по конструкции является теплообменник типа "труба в трубе" (авт.св. N 595619), у которого внутренняя труба снабжена спиральным оребрением, размещенным с зазором в наружной трубе, имеющей штуцеры для нагреваемой среды, причем зазор выполнен постоянной величины на 1-6 мм меньше шага между витками спирального оребрения, а по оси внутренней трубы с зазором относительно нее установлен электронагреватель, при этом штуцеры размещены тангенциально.

Указанные выше теплообменники имеют большой вес и большую длину, а также сложны в изготовлении, в связи с чем в настоящее время они не используются в быту и в промышленности.

Основной задачей изобретения является усовершенствование известной конструкции теплообмена, содержащей две расположенные одна в другой трубы, за счет изменения формы теплообменника, обеспечивающей высокую турбулизацию движущихся навстречу друг другу потока теплоносителя по внутренней трубе и потока нагреваемой жидкости в пространстве между трубами, и тем самым интенсифицировать теплообмен между ними, что позволяет при малом весе и длине теплообменника сохранить высокую производительность, а также упростить его конструкцию за счет исключения дополнительных элементов, увеличивающих поверхность нагрева.

Поставленная задача достигается тем, что в теплообменнике типа "труба в трубе", содержащем две трубы, расположенные с зазором между ними, а также патрубок ввода нагреваемой жидкости, расположенный со стороны входа теплоносителя, теплообменник выполнен в виде винтовой спирали.

Выполнение теплообменника в виде винтовой спирали позволило при прохождении потока теплоносителя и нагреваемой жидкости внутри таких труб усилить завихрения теплоносителя и нагреваемой жидкости в каждом витке спирали, при этом улучшился процесс теплообмена между ними и увеличился коэффициент теплоотдачи, что позволило при сохранении высокой производительности теплообменника сократить поверхность теплообмена, т.е. уменьшить его в длину в 4-5 раз, диаметр теплообменника уменьшить в 3-4 раза, вес теплообменника уменьшить в 6-10 раз, расход теплоносителя в 2 раза, а также упростить его конструкцию по сравнению с теплообменниками, используемыми в промышленности.

На фиг. 1 изображена схема предлагаемого теплообменника; на фиг. 2 - вид слева с вырывом.

Теплообменник содержит установленные с зазорами наружную трубу 1, внутреннюю трубу 2, выполненные в виде винтовой спирали.

На внутренней трубе 2 расположены патрубки 3 и 4 соответственно для входа и выхода теплоносителя, а на наружной трубе 1 расположены патрубки 5 и 6 соответственно для входа и выхода нагреваемой жидкости.

Теплообменник работает следующим образом.

Поток теплоносителя по внутренней трубе 2 через патрубок 3 и нагреваемая жидкость в межтрубном пространстве, образованном трубой 1 и 2, через патрубок 5 одновременно поступают навстречу друг другу.

При завихрениях в витках спиралей труб 1 и 2 теплоносителя и нагреваемой жидкости высокая турбулизация полностью исключает наличие застойных зон и улучшает теплопередачу. Интенсивность процесса теплопередачи усиливается также при направленных навстречу друг другу потоках теплоносителя и нагреваемой жидкости, что дает возможность сократить поверхность теплообменника. Это позволяет уменьшить габариты теплообменника, его вес, расход теплоносителя, однако при этом сохранить высокую производительность теплообмена. Такая конструкция теплообменника обеспечивает полное использование всей его площади.

В связи с тем что теплообменники, описанные в приведенных выше авторских свидетельствах, не используются в отечественной промышленности, приводим таблицу сравнительных характеристик предлагаемого теплообменника и известных теплообменников (Справочник по сантехнике на предприятиях бытового обслуживания. Бахреньков Н.Б. и Кузнецов Б.В., с.25).

Принцип работы теплообменника и коэффициент теплоотдачи был проверен на макете с наружной трубой 26,75 мм, толщиной стенки 2,75 мм и внутренней трубой диаметром 16 мм и толщиной стенки 2 мм. Коэффициент теплоотдачи экспериментально получен K = 692 ккал/(м² • град. • ч).

При полученном коэффициенте теплоотдачи проведены сравнительные характеристики существующих теплообменников и предлагаемого (см. таблицу).

Из таблицы видно, что при одинаковой производительности 667 л/ч предлагаемого теплообменника длиной 400 мм и теплообменника N 3075 длиной 2155 мм расход теплоносителя уменьшился в 2 раза, вес теплообменника уменьшился в 10 раз, длина в 4 раза, диаметр в 2 раза.

При равной производительности 1667 л/ч известного теплообменника длиной 2813 мм и предлагаемого теплообменника длиной 1000 мм, расход теплоносителя уменьшился в 2 раза, вес в 6 раз, длина в 3 раза, диаметр в 2 раза.

Предлагаемый теплообменник может широко использоваться в быту, химической, нефтяной, пищевой, энергетической промышленности и особенно там, где лимитируется его вес и габариты.

Изобретение может быть использовано в быту и в различных отраслях промышленности особенно там, где лимитируется его вес и габариты. Теплообменник содержит две трубы 1, 2, расположенные с зазором между ними, а также патрубок 3 ввода нагреваемой жидкости, расположенный со стороны выхода 6 теплоносителя, и патрубок 4 вывода нагреваемой жидкости, расположенный со стороны входа 5 теплоносителя, при этом теплообменник выполнен в виде винтовой спирали. 2 ил., 1 табл.

Теплообменник типа "труба в трубе", содержащий две трубы, расположенные с зазором между ними, причем патрубок ввода нагреваемой жидкости расположен со стороны выхода теплоносителя, а патрубок вывода нагреваемой жидкости расположен со стороны входа теплоносителя, отличающийся тем, что теплообменник выполнен в виде винтовой спирали.