Теплообменный аппарат для рабочих сред, содержащих накипеобразующие примеси Советский патент 1992 года по МПК F28F19/00 F28F21/08 

Изобретение относится к области теплотехники, а точнее - к теплообменным ап- паратам, для сред, склонных к накипеобразованию, например для морской воды.

Известна нагревательная батарея морской воды опреснительных установок типа Д, которая представляет собой теплооб- менный аппарат (ТА), состоящий из корпуса и теплопередающих элементов (ТЭ) в виде

вертикально расположенных мельхиоровых трубок круглого сечения, закрепленных в трубных досках корпуса. Внутри этих трубок происходит кипение и испарение рассола морской воды, а снаружи они омываются греющей водой. В результате отложения накипи на внутренней поверхности ТЭ снижается производительность установки. При снижении производительности на 25% от номинальной установку отключают и проводят химическую чистку ТЭ 3%-ным раствором сульфаминовой кислоты. Период между чистками не менее 3000 ч.

Недостатками этой установки является высокая трудоемкость технического обслуживания во время проведения химической чистки и высокие энергетические и материальные затраты на опреснение морской воды, связанные со снижением производительности установки перед химической чисткой и необходимостью размещения дополнительного оборудования (баки, шланги и т.д.), помещений для хранения запаса реагентов и необходимостью отключения установки для проведения химической чистки на длительное время.

Прототипом данного изобретения является ТА, используемый в качестве нагревательной батареи в опреснительных, установках типа П, ТА состоит из корпуса и пучка ТЭ, размещенных внутри корпуса, представляющих собой трубки плоскоовального сечения, горизонтально закрепленные в трубных досках. Одна из досок закрыта глухой крышкой, а через другую в батарею подводится греющий пар. Снаружи пучок ТЭ омывается рассолом морской воды. ТЭ благодаря упругости обладают способностью к самоочистке. При принудительном изменении разности давлений внутри и снаружи Т Э плоские участки его поверхности упруго деформируются, в результате чего образовавшаяся накипь растрескивается, отделяется от поверхности ТЭ и через каждые 350 ч работы удаляется из ТА.

Недостатками прототипа являются значительная трудоемкость технического обслуживания и высокие энергетические и материальные затраты на нагрев морской воды. Это обусловлено тем, что вследствие малых деформаций ТЭ в месте их крепления к трубным доскам, эффективная самоочистка происходит лишь на одной трети длины ТЭ. В районе же трубных досок батарея зарастает накипью, которую приходится периодически скалывать вручную, специальными скребками, что весьма трудоемко. Кроме того, вследствие зарастания накипью части теплообменной поверхности, в конце периода между чистками батареи, затраты на получение дистиллята значительно возрастают (снижается производительность установки, повышается удельный расход пара). Большая величина напряжений при самоочистке и их цикличность снижают надежность сварного соединения ТЭ с трубной доской, поэтому для обеспечения необходимого ресурса опреснительной установки в комплект установки включают два

запасных пучка ТЭ, что повышает стоимость установки в целом,

Целью изобретения является уменьшение трудоемкости технического обслуживания ТА и снижение материальных затрат на нагрев или охлаждение рабочей среды за счет повышения эффективности самоочистки ТЭ от накипи.

Сущность изобретения состоит в том,

0 что для достижения эффективной самоочистки поверхности ТЭ им принудительно заданы две предельные формы: одна форма образована в результате деформации материала при температуре прямого мартен5 ситного превращения, а другая форма - в результате деформации при температуре выше области мартенситных превращений материала, причем обеспечено изменение кривизны поверхности ТЭ при переходе из

0 одной предельной формы в другую. 8 процессе работы ТА по прямому назначению принудительный переход поверхности ТЭ из одной предельной формы в другую обеспечен за счет изменения теплового режима

5 работы ТА (например, путем повышения или понижения расхода греющей или нагреваемой среды). При этом переходе слой накипи вследствие низкой пластичности разрушается и отделяется от поверхности ТЭ, т.е.

0 происходит их полная самоочистка. Дополнительные воздействия, химическая или механическая чистка, не требуются, что ,и обеспечивает достижение цели изобретения.

5 Известны предложения применения материалов, обладающих эффектом памяти формы для изготовления саморазвора- чивающихся (самоскладывающихся) конструкций, а также для превращения теп0 ловой энергии в механическую в темпера- турно-чувствительных датчиках и в качестве силовых элементов термопривода и др. Существенным отличием данного изобретения является то, что эффект памяти формы

5 используется не для собственно изменения формы, а исключительно с целью очистки ТЭ ТА от накипи. На основании изложенного считаем, что отличительные признаки заявленного изобретения являются существен0 ными.

На фиг.1 показан ТА с ТЭ пластинчатой формы; на фиг.2 - ТА с ТЭ змеевиковой формы; на фиг.З - ТА с ТЭ плоскоовальной формы; на фиг.4 - график изменения формы

5 мононикелида титана с содержанием NI 48 ат.%.

ТА (фиг.1) состоит из корпуса 1 и пучка пластинчатых ТЭ 2; ТА (фиг.2) состоит из корпуса 1 и пучка ТЭ, представляющих собой трубки, навитые в спираль 2. Та (фиг.З)

состоит из корпуса 1 и пучка ТЭ плоско- овальной формы 2. Возможна любая другая форма ТЭ. Отличительной особенностью данного ТА является то, что его ТЭ изготовлены из материала, обладающего эффектом памяти формы, например, из мононмкели- да титана с содержанием Ni 48 ат.%, а поверхностями ТЭ принудительно заданы две предельные формы: одна форма (реальная) образована в результате деформации мате- риала при температуре прямого мартен- ситного превращения (75+50)°С, а другая форма (мнимая) заложена в память материала в результате деформации при температуре выше области мартенситных превращений (550-600)°С, при которой ре- лаксируют упругие напряжения, В качестве одной из определенных форм можно использовать форму состояния поставки материала, например, гладкая труба или лист и т.д. Причем кривизна поверхности реальной и мнимой формы в каждой точке ТЭ существенно отличается, что обеспечивает разрушение слоя накипи в каждой точке поверхности ТЭ. Переход от мнимой формы к реальной или наоборот (т.е. изменение кривизны поверхности ТЭ в каждой точке) обеспечен за счет изменения температуры материала ТЭ (т.е. за счет изменения теплового режима работы ТА в целом).

ТА работает следующим образом. При нагревании материала Т Э в интервале температур 110-125°С (температурный интервал обратного мартенситного превращения) он будет менять свою форму с реальной ноа мнимую (т.е. вспоминать ту форму, которая заложена в его памяти), а при охлаждении в интервале температур (80-50)°С (температурный интервал прямого мартенситного превраще- ния) наоборот, будет менять форму с мнимой на реальную. При переходе от одной формы поверхности к другой за счет изменения кривизны поверхности слой накипи вследствие его низкой пластичности будет разрушаться, т.е. будет происходить полная самоочисткз поверхности ТЭ. Процесс перехода от одной формы к другой для мононикелида титана с содержанием Ni 48 ат.% изображен на фиг.4. Кроме никелида титана эффектом памяти формы обладают следующие сплавы: Ti Co; Ti Fe; Cu Zn; Аи Cd; FeNi; InTI и многие другие, Процесс мартенситных превращений у всех этих сплавов происходит аналогично процессу в NiTi и отличается только тем, что величина температуры начала и конца прямого и обратного мартенситного превращения разная для каждого сплава. Температурный интервал мартенситных превращений у этих сплавов меняется в очень широком диапазоне. Это позволяет практически для каждого теп- лообменного аппарата, рассчитанного на определенный температурный режим, подобрать материал.

Заявляемый ТА обладает рядом преимуществ по сравнению с прототипом. Во-первых, он может работать в самых тяжелых режимах накипеобразования и даже в установках, выпаривающих воду до сухого остатка, в то время, как прототип вследствие интенсивного накипеобразования при высоких температурах обеспечивает необходимый период между чистками только при вакуумном режиме испарения, что ведет к увеличению массы и габаритов установки и расхода греющей среды, тек увеличению затрат. Во-вторых, возможность при использовании материала, обладающего эффектом памяти формы, значительно менять форму поверхности обеспечивает полную самоочистку ТЭ, что весьма уменьшает трудоемкость технического обслуживания. Преимущества предлагаемого ТА относительно аналога и прототипа приведены в таблице.

Формула изобретения

Теплообменный аппарат для рабочих сред, содеожзщих накипеобразующие примеси, включающий корпус, в котором размещены теплопередающие элементы, отличающийся тем, что, с целью уменьшения трудоемкости технического обслуживания и снижения материальных затрат на нагрев и охлаждение рабочей среды за счет повышения эффективности самоочистки элементов от накипи, теплопередающие элементы выполнены из термочувствительного материала с обратимым мартенситным превращением, имеющего две предельные формы, причем кривизна поверхности элемента в одной предельной форме отличается от кривизны поверхности этого элемента в другой предельной форме.

Сранительные -характеристики аналога, прототипа и заявляемого изобретения

Использование: для охлаждения и нагревания рабочих сред, содержащих примеси накипеобразующей природы, например для морской воды. Сущность изобретения: теплообменный аппарат содержит корпус и теплопередающие элементы, которые изготовлены из материала, обладающего эффектом памяти формы, например из мононикелида титана, а поверхностям теплопередающих элементов принудительно заданы две предельные формы: одна форма образована в результате деформации при температуре выше области мартенситных превращений материала, причем обеспечено изменение кривизны поверхности тепло- передающих элементов при переходе от одной предельной формы в другую. 4 ил. 1 табл, (Л С -ч -ч 00 4 Ю О

Показатель

установки типа Д

Трудоемкость технического обслуживания за 4000 ч, в том числе: трудоемкость удаления шлама, чел. ч, трудоемкость химической или механической чистки, чел. ч,

Дополнительные затраты или снижение эффективности работы за 4000 ч., в том числе:

снижение произв- дительности ОУ перед чисткой от номинальной, %% повышение расхода греюидей среды или давления пара от начального дополнительное оборудование ЗИП

Фиг.1

Значение показателей

прототипа (установки типа П)

заявляемого изобретения

11

11

16

Нет

Нет

от минус 0,3 кгс/см2

до плюс 0,5 кгс/см

/4/

Нет

2 запасных пучка ТЭ (7000 руб. каждый)

Мнимая Форма

fgjjAj

Я,-я,

, Реальная Форма

i i

.РЕАЛЬНАЯ ФОРМА

„ Мнимая форма

,t, 7

Фиг. 2

jt r-A

А-А

„МНИАЛАЯ ФОРМА

-66R,R2

ФИГ. 3

Форма ТЭ

(|Прямое мартенситное превращение

I

О

РЕАЛЬНАЯ ФОРМА

30

50

-т- 70

„МНИМАЯ ФОРМА «

L

„Обратное мартенситное превращение

130

150