УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ТРУБ Российский патент 2001 года по МПК B08B9/32 B08B9/53 

Изобретение относится к области теплоэнергетического машиностроения, в частности к устройствам для очистки внутренней поверхности труб теплообменных аппаратов.

Для этих целей наиболее распространены в технике устройства, где используется промывка труб теплообменников с помощью высоконапорных струй. Известно устройство гидроструйной обработки отверстий / Шманев В.А. и др. Струйная гидроабразивная обработка деталей ГТД. - М.: Машиностроение, 1995 г. , стр. 84-85/. Конструктивно это устройство представляет собой аппарат, содержащий корпус с наконечником и активным соплом. Аппарат при помощи гибких шлангов соединен с насосом. Работает он следующим образом. Суспензия увлекается сжатым воздухом, подаваемым через сопло, и направляется через выходные отверстия в корпусе аппарата на обрабатываемую поверхность. Недостатками данного устройства являются быстрый гидроабразивный износ корпуса аппарата, ограниченность зоны обработки, недостаточная производительность, необходимость обеспечения дополнительными материалами, такими как рабочие суспензии и сжатый воздух.

Наиболее близким заявляемому (прототипом) является устройство для внутренней очистки труб гидромониторами с помощью высоконапорных струй / Справочник. Ремонт речных судов. Ю.К. Аристов, Ф.Ф.Бенуа, А.А.Вышеславцев и др. ; под ред. А.Ф.Видецкого. - М.: Транспорт, 1988, стр. 253-257/. Устройство представляет собой гидравлический пистолет со сменными соплами и удлиненными насадками для выполнения различных видов работ. При помощи гибких шлангов происходит подключение к насосам. Рабочая жидкость под большим давлением через штуцер устройства подается внутрь очищаемой трубы. Очистка в данном случае происходит за счет высокой скорости рабочей жидкости, размывающей отложения на стенках труб.

Недостатками устройства, выбранного в качестве прототипа, являются необходимость создания высоких давлений рабочих жидкостей (100 - 250 МПа), опасных для жизни обслуживающего персонала, невозможность с помощью гидродинамического способа качественной очистки труб большой протяженности (длиной более 5-6 м).

Целью изобретения является повышение качества очистки внутренней поверхности труб.

Для достижения поставленной цели предлагаемое устройство включает насос, который гибкими шлангами с помощью штуцерного соединения подключен к очищающей насадке, которая обеспечивает высокодисперсное дробление, рыхление с помощью кавитации, очистку микроструями от отложений на внутренних поверхностях труб теплообменников и является по сути кавитатором. Очищающая насадка представляет собой два сегмента, выполненных из разрезанной вдоль образующей трубки. Сегменты жестко закреплены по торцам и установлены в кольцевых канавках опорных штуцеров с эксцентриситетом относительно продольной оси. Диаметр окружности, описанной вокруг сегментов, вычисляется из условия кратности длины данной окружности к длине возникающих в кольцевом зазоре ультразвуковых полуволн.

В результате такого расположения сегментов образуются щели между двумя парами кромок. Реактивное действие водяной струи, вытекающей из щели между краями сегментов, заставляет сегменты вращаться вокруг собственной оси. Разность между относительными скоростями потоков, обтекающих сегменты, приводит к завихрению. При высоких скоростях потока возникают условия для кавитации, которая усиливается за счет ультразвуковых волн.

На фиг. 1 и 2 изображены фронтальная и боковая проекции устройства для очистки внутренней поверхности труб; на фиг. 3 - поперечное сечение насадки (кавитатора).

Устройство состоит из следующих деталей и элементов: сегмент трубчатый цилиндрический 1; штуцер опорный входной 2; штуцер опорный выходной 3; выточка-канавка кольцевая 4; шайба уплотнительная торцевая 5; пружина 6; гайка регулировки уплотнения 7; соединение входное штуцерное 8; навивка винтовая (или выточка) 9; трубка теплообменника 10; решетка трубная теплообменника 11; гайка-фиксатор 12; шайба 13.

Для наглядности на фиг. 1 и 2 показано взаимное расположение трубной решетки и предлагаемого устройства очистки.

Пример.

Конструктивно устройство состоит из 2-х сегментов 1, представляющих собой половины трубки (сегменты) с толщиной стенки Δ , разрезанной по диаметру вдоль образующей. Сегменты установлены относительно продольной оси с эксцентриситетом ε и закреплены на торцах в опорных штуцерах 2, 3. В результате сдвига между каждой закругленной кромкой одного из сегментов и заостренной кромкой другого образуются две щели шириной ≈ (2 · ε - Δ), где ε - эксцентриситет, а Δ - радиальная толщина стенки обтекаемого профиля гидродинамического резонатора.

Опорные штуцера 2, 3 закреплены в подшипниках скольжения. Таким образом, сегменты имеют возможность свободного вращения вокруг оси. При подаче рабочей жидкости под давлением 0,2->2,5 МПа в канал между сегментами поток проходит через щели между кромками, в результате чего пара сил создает вращающий момент, приложенный к насадке.

Для быстрого ориентирования и приварки сегментов 1 к соединительным и опорным штуцерам 2, 3 предусмотрены кольцевые канавки 4. Процесс очистки может выполнятся только в наполненном рабочей жидкостью пространстве. Для поддержания режима затопления внутри наружного кольцевого канала на входе и выходе очищаемых трубок установлены капролоновые подпружиненные уплотнительные шайбы 5. Подключение каждой насадки к циркуляционному насосу осуществляется с помощью гибких шлангов через резьбовое штуцерное соединение 8. Уплотнение подпружиненных шайб регулируется с помощью гайки 7. Для вывода продуктов очистки предусмотрена винтовая навивка или выточка 9, которая создает эффект негерметичного винтового насоса.

Для очистки внутренней поверхности описываемое устройство вводят в трубку теплообменника. Через штуцер в пространство очищаемой трубки под давлением подают воду. В результате истечения потока воды, вытекающего через щели между сегментами, его кинетическая энергия переходит в энергию вихревого движения. Вихри, образующиеся при сбегании потока с кромок сегментов, приводят к пульсациям давления в потоке и являются первопричиной возникновения ультразвуковых колебаний. Длина волны звуковых колебаний определяется по формуле:

где C₀ - скорость звука, f - частота звуковых колебаний.

Длина стоячей УЗ волны λ может быть определена по формуле:
λ = π(R+2ε),
где ε - эксцентриситет, R - радиус наружной поверхности сегмента.

Сегменты вращаются под действием пары сил, возникающей в результате истечения воды. Стоячие УЗ волны, возникающие в кольцевом зазоре между кромками сегментов и стенкой очищаемой трубы, перемещаются по внутренней поверхности трубы в соответствии с вращением сегментов и усиливают процесс очистки.

Предлагаемое устройство основано на принципе гидродинамической генерации ультразвуковых (УЗ) колебаний, используемом в ультразвуковых диспергаторах. Возникающие стоячие УЗ волны инициируют зоны кавитации в кольцевом межтрубном канале, образованном внутренней поверхностью труб и наружной поверхностью сегментов. Усиление эффекта очистки достигается при кратности отношения длины струи к длине УЗ волны. Длину струи измеряют по дугам боковой поверхности сегментов насадки. Диаметр боковой поверхности сегмента определяют отношением скорости звука к частоте УЗ колебаний.

В предлагаемом устройстве достигаются эффекты: "разрыхления" поверхностных слоев материала кавитационными микроструями разрушающихся пузырьков, силового воздействия пристенных течений в циркулирующей рабочей жидкости, осевого перемещения продуктов очистки за счет насосного действия винтовой навивки на корпусе насадки.

Заявляемое устройство для очистки поверхности труб по своей сути является гидродинамическим генератором ультразвуковых волн, в результате применения которого с помощью кавитации достигается эффект дробления и "разрыхления" отложений.

Устройство отличается от известных возможностью равномерной и высокоэффективной обработки внутренней поверхности труб по всей длине и обеспечивает заданные параметры качества поверхностного слоя. Это становится возможным за счет более качественной очистки путем разрыхления и высокодисперсного дробления отложений на внутренних поверхностях труб теплообменников, которое происходит в результате совместного действия вихревых течений и кавитационных микроструй, создаваемых конструкцией, генерирующей ультразвуковые волны при подаче жидкости под давлением.

Изобретение относится к области теплоэнергетического машиностроения, в частности, к устройствам для очистки внутренней поверхности труб теплообменных аппаратов. В изобретении обеспечивается повышение качества очистки внутренней поверхности труб. Устройство представляет собой насадку, содержащую два сегмента, выполненных из половинок трубки, разрезанной вдоль образующей. Сегменты смещены относительно продольной оси насадки с эксцентриситетом ε так, что образуются щели между парами кромок. Скрепленные между собой на торцах сегменты вводятся внутрь очищаемой трубки. Через штуцер в полость очищаемой трубки подается рабочая жидкость под давлением. Реактивное действие струи, вытекающей из щели между краями сегментов, заставляет сегменты вращаться вокруг собственной оси. Разность между скоростями потока, обтекающего кромки сегментов, приводит к завихрению и, как следствие, к возникновению ультразвуковых волн. Для вывода продуктов очистки насадка выполнена винтовой, что создает эффект негерметичного винтового насоса. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для очистки внутренней поверхности труб, включающее насос, соединенный при помощи гибких шлангов и резьбового штуцерного соединения с очищающей насадкой, отличающееся тем, что очищающая насадка содержит два сегмента, выполненных из двух половин трубки, разрезанной по диаметру вдоль образующей, скрепленных между собой на торцах при помощи штуцеров, установленных в подшипники скольжения, причем сегменты установлены относительно продольной оси с эксцентриситетом так, что между каждой закругленной кромкой одного из сегментов и заостренной кромкой другого образуются щелевые зазоры шириной 2ε-Δ, где ε - эксцентриситет, а Δ - толщина стенки. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что диаметр окружности, описанной вокруг сегментов, кратен длине возникающих в зазоре ультразвуковых волн. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что очищающаяся насадка выполнена винтовой. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в опорных штуцерах выполнены кольцевые канавки для фиксирования сегментов. 5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на входе и выходе очищаемых трубок установлены подпружиненные торцевые шайбы.