Теплообменник типа "труба в трубе" с вращающейся спиральной лентой

Авторы патента:

Кустов Борислав Олегович (RU)

Бальчугов Алексей Валерьевич (RU)

Бадеников Артем Викторович (RU)

F28F13/12 - турбулизацией движения, например посредством перемешивания, усиления циркуляции (F28F 13/08 имеет преимущество)

F28D7/10 - с трубами, расположенными одна внутри другой, например концентрично

F28D11/04 - с вращающейся трубой или пучком труб

Владельцы патента RU 2705711:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ангарский государственный технический университет" (RU)

Изобретение относится к теплообменникам типа «труба в трубе» для проведения теплообменных процессов между теплоносителями с использованием подвижных каналов (вращающихся труб) и может быть использовано в газовой, химической и нефтеперерабатывающей промышленности. Теплообменник состоит из двух концентрических труб: внутренней трубы и внешней трубы, спиральной ленты, круглозвенных цепей, двух подшипников, двух уплотнений и неподвижных патрубков для входа и выхода горячего и холодного теплоносителей. Спиральная лента жестко устанавливается во внутренней трубе с возможностью вращения внутренней трубы, спиральной ленты и круглозвенных цепей за счет энергии потока горячего теплоносителя. Ряд круглозвенных цепей одинаковой длины одним концом жестко крепятся к одной образующей внешней стенки внутренней трубы с шагом, равным не менее двух длин цепи, причем длина каждой цепи меньше расстояния между стенками внешней и внутренней труб. Технический результат: увеличение интенсивности процессов теплообмена; снижение затрат металла на изготовление теплообменника; снижение гидравлического сопротивления теплообменника. 3 ил.

Теплообменное устройство, описанное в патенте на изобретение РФ №2359192, включает спиральный турбулизатор и цилиндрические ребра. Турбулизатор состоит из спиральной ленты, навитой на стержень. Цилиндрические ребра установлены на наружной поверхности внутренней трубы с помощью изогнутых металлических пластин. Благодаря этим устройствам происходит интенсификация теплообмена и снижаются затраты на очистку внутренней поверхности теплообмена от твердых отложений.

Общим признаком с предлагаемой конструкцией является наличие спирального элемента во внутренней трубе.

Недостатком данного изобретения является недостаточно высокая интенсивность теплообмена, высокая материалоемкость устройства и большое гидравлическое сопротивление.

В авторском свидетельстве СССР №1270518 описан шнековый теплообменник, который содержит ротор для транспортировки материала в виде шнека с винтовыми лопастями и внутреннюю трубу, которая внутри снабжена спиральным элементом. С целью интенсификации теплообмена внутренняя труба установлена с возможностью вращения в направлении, противоположном направлению вращения внешней трубы, спиральная навивка жестко закреплена на внутренней трубе, которая внутри снабжена спиральным элементом, совпадающим по направлению закрутки с лопастями шнека и противоположным по отношению к спиральной навивке. Вращение внешней и внутренней труб осуществляется за счет энергии привода.

Общими признаками с предлагаемой конструкцией является наличие спирального элемента во внутренней трубе и способность внутренней трубы вращаться.

Недостаток аналогичен предыдущему аналогу.

В патенте на изобретение РФ №2502931 описан теплообменник типа «труба в трубе», который содержит внутреннюю и наружную трубы с винтовыми вставками. Благодаря винтовым ставкам происходит увеличение коэффициентов теплопередачи на 40-80%. Целью данного изобретения является интенсификация теплопередачи.

Общим признаком с предлагаемой конструкцией является наличие турбулизатора в виде винтовой (спиральной) вставки во внутренней трубе.

Недостаток аналогичен предыдущему аналогу.

Наиболее близким по конструкции (прототип) является теплообменник, описанный в патенте РФ №2645861 «Теплообменник типа «труба в трубе» с вращающейся трубой», который состоит из двух концентрических труб: внутренней трубы и внешней трубы, радиальной турбины, осевой турбины, турбулизатора в виде спиральной ленты, двух подшипников, уплотнений и патрубков для входа и выхода высокоскоростного теплоносителя. Радиальная турбина устанавливается на внутренней трубе и крепится на ней с натягом. Радиальная турбина располагается напротив патрубка для входа высокоскоростного теплоносителя. Во внутреннюю трубу устанавливается с натягом осевая турбина.

Общими признаками с предлагаемой конструкцией теплообменника является наличие двух концентрических труб, способность внутренней трубы вращаться за счет энергии потока теплоносителя, двух подшипников, уплотнений, спиральной ленты, патрубков для входа и выхода теплоносителя.

Задачей изобретения является создание нового высокоэффективного теплообменного устройства типа «труба в трубе» для проведения теплообменных процессов между двумя теплоносителями.

Технический результат изобретения заключается в:

- увеличении интенсивности процессов теплообмена;

- снижении материалоемкости теплообменника;

- снижении гидравлического сопротивления теплообменника.

Устранение указанных недостатков и достижение заявляемого технического результата от реализации нового теплообменника типа «труба в трубе», достигается за счет того, что спиральная лента жестко крепится к внутренней стенке внутренней трубы, обеспечивая завихрение горячего теплоносителя и вращение внутренней трубы, а перемешивание холодного теплоносителя в межтрубном пространстве обеспечивается за счет ряда круглозвенных цепей, закрепленных одним концом к одной образующей внешней стенке вращающейся внутренней трубы с шагом, равным не менее двух длин цепи, причем длина каждой цепи меньше расстояния между стенками внешней и внутренней трубы, при этом горячий теплоноситель приводит спиральную ленту, расположенную во внутренней трубе, вместе с внутренней трубой, во вращение, при этом вместе с внутренней трубой вращается ряд круглозвенных цепей одинаковой длины, это позволяет повысить турбулентность горячего и холодного теплоносителя и интенсивность теплопередачи между потоком горячего теплоносителя и потоком холодного теплоносителя, и, как следствие, снизить требуемый объем теплообменника, а также снизить материалоемкость теплообменника, при этом в межтрубном пространстве круглозвенные цепи имеют низкое гидравлическое сопротивление потоку холодного теплоносителя, что способствует снижению гидравлического сопротивления теплообменника.

Отличительной особенностью заявляемого изобретения являются расположение спиральной ленты внутри подвижной внутренней трубы и наличие ряда круглозвенных цепей, жестко прикрепленных к одной образующей внешней стенки внутренней трубы с шагом, равным не менее двух длин цепи, причем длина каждой цепи меньше расстояния между стенками внешней и внутренней трубы, при этом поступающий во внутреннюю трубу поток горячего теплоносителя вращает спиральную ленту и внутреннюю трубу, при этом вместе с внутренней трубой вращается ряд круглозвенных цепей, при этом цепи при вращении внутренней трубы перемешивают холодный теплоноситель в межтрубном пространстве, при этом внешняя труба жестко соединена с входным и выходным патрубками для горячего теплоносителя. При этом шаг между цепями равен не менее чем двум длинам цепи для того, чтобы цепи не переплетались и не сцеплялись, а длина каждой цепи меньше расстояния между стенками внешней и внутренней трубы для того, чтобы при вращении внутренней трубы цепи не касались стенок внешней трубы. Спиральная лента во внутренней трубе и круглозвенные цепи играют также роль оребрения и способствуют увеличению площади теплообмена и интенсивности теплопередачи. Спиральная лента играет также роль завихрителя потока горячего теплоносителя, при прохождении через который горячий теплоноситель приобретает вращательное направление движения. Круглозвенные цепи играют также роль завихрителя потока холодного теплоносителя. Вращение внутренней трубы вызывает образование турбулентности как в горячем теплоносителе, проходящем по внутренней трубе, так и в холодном теплоносителе, проходящем в межтрубном пространстве, что приводит к интенсификации переноса теплоты через стенку внутренней трубы от горячего теплоносителя к холодному теплоносителю. Подшипники располагаются в межтрубном пространстве на внутренней трубе и упираются в стенки внеш-ней трубы. Герметичность места соединения вращающейся внутренней трубы с неподвижным входным и неподвижным выходным патрубками горячего теплоносителя обеспечивается уплотнениями. Таким образом, кинетическая энергия горячего теплоносителя используется для вращения спиральной ленты, внутренней трубы с прикрепленными к ней снаружи цепями, турбулизации потоков теплоносителей во внутренней трубе и в межтрубном пространстве, что позволяет увеличить интенсивность процессов теплообмена, снизить затраты металла на изготовление теплообменника. В межтрубном пространстве теплообменника круглозвенные цепи, расположенные между входным и выходным патрубками холодного теплоносителя, создают малое гидравлическое сопротивление потоку, этим обеспечивается снижение гидравлического сопротивления.

Сущность предлагаемого теплообменника поясняется чертежами (фиг. 1-3). Перечень фигур:

Фиг. 1. Общий вид теплообменника.

Фиг. 2. Общий вид спиральной ленты.

Фиг. 3. Общий вид одной круглозвенной цепи.

На фиг. 1 приведен общий вид заявляемого теплообменника. На фиг. 2 приведен вид спиральной ленты, установленной во внутренней трубе. На фиг. 3. приведен общий вид одной круглозвенной цепи.

Заявляемый теплообменник (фиг. 1) состоит из двух концентрических труб, неподвижной внешней трубы (1) и вращающейся внутренней трубы (2), спиральной ленты (3), неподвижного патрубка для входа холодного теплоносителя (8), неподвижного патрубка для выхода холодного теплоносителя (9), двух уплотнений (4), двух подшипников (7), неподвижного патрубка для входа горячего теплоносителя (5), неподвижного патрубка для выхода горячего теплоносителя (6), круглозвенных цепей (10). Спиральная лента (3) устанавливается во внутреннюю трубу (2) и жестко крепится внутри нее. Внутренняя труба (2) лежит на двух подшипниках (7). Ряд круглозвенных цепей жестко крепится на одной образующей внешней стороны стенки внутренней трубы (2). Подшипники (7) располагаются на внутренней вращающейся трубе (2) между уплотнениями (4) (фиг.1).

Отличительными признаками являются расположение спиральной ленты внутри вращающейся внутренней трубы и наличие ряда круглозвенных цепей, жестко прикрепленных к одной образующей внешней стенки внутренней трубы с шагом, равным не менее двух длин цепи, причем длина каждой цепи меньше расстояния между стенками внешней и внутренней трубы.

Предлагаемый теплообменник типа «труба в трубе», предназначенный для теплообмена между двумя теплоносителями, работает следующим образом. Горячий теплоноситель через неподвижный входной патрубок (5) поступает во внутреннюю трубу (2), содержащую спиральную ленту (3). Поток горячего теплоносителя взаимодействует со спиральной лентой (3), приводит ее во вращение вместе с внутренней трубой (2), установленной на подтипниках (7) (фиг. 1). Внутренняя труба (2) и спиральная лента (3), жестко прикрепленная к ней, вращаются как одно целое, с одинаковой частотой и направлением вращения. Спиральная лента (3), прикрепленная жестко к стенкам внутренней трубы (2), турбулизирует поток горячего теплоносителя, что приводит к увеличению интенсивности теплопередачи. Вместе с внутренней трубой (2) вращаются круглозвенные цепи (10) одинаковой длины, прикрепленные жестко одним концом на одной образующей внешней стороны стенки внутренней трубы (2). Образующая - это линия, параллельная оси трубы, проходящая по внешней стороне стенки внутренней трубы. Шаг между цепями (10) равен не менее чем двум длинам цепи (10), причем длина каждой цепи меньше расстояния между стенками внешней и внутренней трубы, чтобы цепи при вращении трубы (2) не касались стенок внешней трубы (1). При этом круглозвенные цепи (10) при вращении внутренней трубы (2) перемешивают холодный теплоноситель в межтрубном пространстве. Кинетическая энергия горячего теплоносителя используется для вращения спиральной ленты (3) и внутренней трубы (2) с круглозвенными цепями (10), турбулизации потоков теплоносителей, что позволяет интенсифицировать процесс теплопередачи. Теплопередача между горячим теплоносителем и холодным теплоносителем происходит через стенку внутренней трубы (2). Горячий теплоноситель выходит из трубного пространства через неподвижный выходной патрубок (6). Холодный теплоноситель поступает в межтрубное пространство через неподвижный патрубок (8), проходит по межтрубному пространству и выходит через неподвижный патрубок (9). Уплотнения (4) предназначены для герметизации мест соединения внутренней вращающейся трубы (2) и неподвижных патрубков (5) и (6). Таким образом, кинетическая энергия горячего теплоносителя используется для вращения внутренней трубы (2) с круглозвенными цепями (10) при помощи спиральной ленты (3), турбулизации потоков теплоносителей в межтрубном пространстве и во внутренней трубе (2), что позволяет интенсифицировать процесс теплопередачи, снизить материалоемкость теплообменника и снизить гидравлическое сопротивление теплообменника.

Литература

1. Патент на изобретение РФ №2359192. Теплообменник типа «труба в трубе» / Г.Я. Ахмедов. Опубл. 20.06.09, Бюл. №17.

2. Авторское свидетельство СССР №1270518. Шнековый теплообменник, F26B 17/20, 11/14/ Э.С. Мачавариани. Опубл. 15.11.86.

3. Патент на изобретение РФ №2502931. Теплообменник «труба в трубе» / A.M. Ефремов, А.А. Мелкомуков, И.В. Холодков, Е.Н. Головенкин, А.Д. Безруких. Опубл. 27.12.13.

4. Патент на изобретение РФ №2645861. Теплообменник типа «труба в трубе» с вращающейся трубой / А.В. Бальчугов, Б.О. Кустов, И.Е. Кузора, А.В. Бадеников, К.А. Кузнецов. Опубл. 28.02.2018.

Теплообменник типа «труба в трубе», содержащий две концентрические трубы, причем внутренняя труба вращающаяся, спиральную ленту, неподвижные патрубки для входа и выхода горячего и холодного теплоносителей, два подшипника, размещенные на внутренней трубе и упирающиеся в стенки внешней трубы, два уплотнения, отличающийся тем, что спиральная лента жестко закреплена на внутренних стенках вращающейся внутренней трубы, к одной образующей внешней стороны стенки внутренней трубы жестко крепятся в ряд одним концом круглозвенные цепи одинаковой длины, с шагом, равным не менее двух длин цепи, причем длина каждой цепи меньше расстояния между стенками внешней и внутренней труб.

Предлагаемое изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для нагрева и охлаждения газов и жидкостей в различных отраслях народного хозяйства, а именно, для интенсификации процесса теплопередачи и снижения скорости образования накипи в теплообменниках ГТУ.

Котел с инжекторными газовыми горелками // 2700308

Изобретение относится к теплоэнергетике. Котел с инжекторными газовыми горелками включает корпус, в нижней части которого установлены вертикально инжекторные горелки, над которыми в верхней части расположены трубы с теплоносителем, коллектор для подачи газа в инжекторные горелки.

Рифленые ребра для теплообменника // 2688087

Предложены рифленые ребра, имеющие высокие рабочие характеристики передачи тепла и не вызывающие засорения даже в газообразной окружающей среде с присутствующими твердыми примесями, такими как пыль.

Способ повышения теплосъема на выпуклых теплоотдающих поверхностях теплопередающих устройств и устройство для его осуществления // 2680175

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в теплопередающих устройствах, например в ядерных энергетических установках. Изобретение заключается в том, что в устройстве для повышения теплосъема на выпуклых теплоотдающих поверхностях, содержащем верхнее закручивающее устройство, размещенное относительно выпуклой поверхности с зазором δ, разделенным продольными ребрами на ряд каналов, число продольных ребер n, размещенных на выпуклой поверхности, выбирается из условия 0,1πdвп/δ≥n≥0, где δ - высота зазора, dвп - диаметр выпуклой теплоотдающей поверхности.

Периодически действующий десублиматор для разделения продуктов из газовых смесей // 2675517

Изобретение относится к периодически действующему десублиматору для разделения продуктов из газовых смесей. Десублиматор содержит цилиндрический корпус для прохождения в его продольном направлении газовой смеси, стенку 10 корпуса и расположенные на ее внутренней стороне направленные внутрь пластины 7, 7', которые для десублимации продукта предназначены для охлаждения с помощью охлаждающего средства, направляемого через каналы 12 на стенке 10 корпуса, при этом в цилиндрическом корпусе расположен по меньшей мере один внутренний охлаждающий трубопровод, который пронизывает корпус в продольном направлении по всей его длине и который имеет несколько отдельных направленных наружу пластин 8, которые в окружном направлении охлаждающего трубопровода на расстоянии друг от друга распределены по периметру охлаждающего трубопровода, и которые закреплены на охлаждающем трубопроводе с ориентацией в продольном направлении корпуса, причем количество направленных внутрь и/или направленных наружу пластин 7, 7', 8 увеличивается от входного конца корпуса к его выходному концу, а высота Н1, Н2 пластин 7, 8 варьируется между соседними продольными участками L1-L6 с целью предотвращения образования газовых коридоров между свободными концами пластин 7, 8.

Теплообменный аппарат // 2669441

Теплообменный аппарат содержит корпус с патрубками подвода и отвода теплоносителей трубной и межтрубной полостей и пучок непрямых трубок. Погиб каждой трубки пучка имеет стохастический характер.

Теплообменник // 2663370

Изобретение относится к теплообменным устройствам и может быть использовано в энергетике и транспорте. Теплообменник содержит две концентрически расположенные трубы, в межтрубном пространстве которых, вблизи внешней поверхности внутренней трубы находятся пластины, согнутые в виде элементов трубы с чередующимися просечными отверстиями, расположенными друг за другом, причем отогнутые элементы просечной перфорированной поверхности в форме лепестков расположены под углом к направлению движущегося потока теплоносителя, таким образом, что происходит захват части движущегося потока теплоносителя и его перенаправление во внутреннюю зону между перфорированными просечными пластинами и внешней поверхностью внутренней трубы.

Теплопередающая труба и крекинг-печь с использованием теплопередающей трубы // 2654766

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в теплопередающей трубе и крекинг-печи, содержащей такую теплопередающую трубу. Теплопередающая труба содержит закрученную перегородку, расположенную на внутренней стенке трубы, причем закрученная перегородка простирается спирально вдоль осевого направления теплопередающей трубы.

Теплопередающая труба и крекинг-печь с использованием теплопередающей трубы // 2640876

Изобретение относится к теплопередающей трубе и крекинг-печи с использованием теплопередающей трубы. Теплопередающая труба содержит закрученную перегородку, расположенную на внутренней стенке трубы, причем закрученная перегородка простирается спирально вдоль осевого направления теплопередающей трубы.

Теплообменный аппарат // 2705174

Изобретение относится к теплообменной технике и может быть использовано при создании теплообменных аппаратов. Корпус теплообменного аппарата выполнен состоящим из входной, центральной и выходной частей, при этом центральная часть выполнена в виде полого цилиндра с двумя днищами, а входная и выходная части выполнены из нескольких полых цилиндрических обечаек с одним днищем, с поперечным сечением в виде буквы С, скрепленных между собой с образованием внутренних входных и выходных полостей.

Теплоообменник // 2705173

Изобретение относится к теплообменной технике и может быть использовано при создании теплообменных аппаратов. Теплообменник содержит корпус с входными и выходными патрубками ввода и вывода горячего и холодного потоков, теплообменные элементы, выполненные в виде нескольких коаксиально установленных обечаек, расположенные друг по отношению к другу с кольцевыми зазорами, образующими кольцевые полости.

Смесительная головка щелевого парогазогенератора // 2705171

Использование: для смешивания компонентов топлива и парообразующей жидкости. Сущность изобретения заключается в том, что смесительная головка щелевого парогазогенератора, содержащая корпус с установленными в нем смесительными элементами для подачи компонентов топлива и парообразующей жидкости, характеризующаяся тем, что корпус выполнен состоящим из нескольких полых обечаек с одним днищем, последовательно установленных друг за другом с образованием замкнутых полостей для подачи компонентов топлива и парообразующей жидкости, при этом упомянутые смесительные элементы выполнены в виде нескольких коаксиально установленных труб разного диаметра и разной длины, входные части которых установлены в днищах полых обечаек, причем трубы большего диаметра и меньшей длины образуют периферийную часть каждого смесительного элемента, а трубы меньшего диаметра и большей длины образуют его центральную часть, причем на поверхности труб выполнены прямые продольные ребра, при этом выходные части труб скреплены между собой с образованием каналов для подачи компонентов топлива и парообразующей жидкости в камеру сгорания, причем полости первого и второго компонентов топлива монотонно чередуются между собой, при этом полости подачи парообразующей жидкости расположены в центральной и в периферийной частях смесительной головки.

Смесительная головка щелевого парогазогенератора // 2705170

Использование: для смешивания компонентов топлива и парообразующей жидкости. Сущность изобретения заключается в том, что смесительная головка щелевого парогазогенератора содержит корпус с установленными в нем смесительными элементами для подачи компонентов топлива и парообразующей жидкости, при этом корпус выполнен состоящим из нескольких полых обечаек с одним днищем, последовательно установленных друг за другом с образованием замкнутых полостей для подачи компонентов топлива и парообразующей жидкости, при этом упомянутые смесительные элементы выполнены в виде нескольких коаксиально установленных труб разного диаметра и разной длины, входные части которых установлены в днищах полых обечаек, причем трубы большего диаметра и меньшей длины образуют периферийную часть каждого смесительного элемента, а трубы меньшего диаметра и большей длины образуют его центральную часть, при этом выходные части труб скреплены между собой с образованием каналов для подачи компонентов топлива и парообразующей жидкости в камеру сгорания, причем полости первого и второго компонентов топлива монотонно чередуются между собой, при этом полости подачи парообразующей жидкости расположены в центральной и в периферийной частях смесительной головки.

Теплообменный аппарат // 2705168

Теплообменный аппарат // 2705167

Теплообменник // 2705164

Теплообменник // 2705159

Изобретение относится к теплообменной технике и может быть использовано при создании теплообменных аппаратов. Теплообменник содержит корпус с входными и выходными патрубками ввода и вывода горячего и холодного компонентов, пояса подачи горячего и холодного компонентов, соединенные с соответствующими полостями компонентов при помощи каналов.

Теплообменный аппарат // 2705158

Изобретение относится к теплообменной технике и может быть использовано при создании теплообменных аппаратов. В теплообменном аппарате, содержащем цилиндрический корпус с входными и выходными патрубками ввода и отвода первого и второго потоков, расположенными на корпусе, теплообменные элементы, установленные внутри корпуса в определенном порядке, полости которых связаны с соответствующими полостями подвода и отвода потоков, согласно изобретению корпус теплообменного аппарата выполнен состоящим из входной, центральной и выходной частей, при этом центральная часть выполнена в виде полого цилиндра с двумя днищами, а входная и выходная части выполнены из нескольких полых цилиндрических обечаек с одним днищем, скрепленных между собой, причем количество обечаек входной части соответствует количеству обечаек выходной части, установленных последовательно с обеих сторон центральной части корпуса таким образом, что они образуют монотонно чередующиеся входные полости первого и второго потоков, и монотонно чередующиеся выходные полости первого и второго потоков, при этом теплообменные элементы выполнены в виде нескольких коаксиально установленных труб разного диаметра и разной длины, причем трубы большего диаметра и меньшей длины образуют периферийную часть каждого теплообменного элемента, а трубы меньшего диаметра и большей длины образуют его центральную часть, при этом входная и выходная части первой наружной трубы каждого теплообменного элемента установлены в днищах центральной части корпуса, а каждая последующая труба теплообменного элемента установлена в днищах входной и соответствующей ей выходной частей внутри предыдущей трубы с образованием кольцевых радиальных зазоров между стенками труб, соединенных с полостью первого или второго потоков, при этом полости кольцевых радиальных зазоров первого и второго компонентов монотонно чередуются между собой.

Теплообменный аппарат // 2705152

Теплообменник типа "труба в трубе" с вращающейся трубой // 2645861