устройство теплообменной трубы с внутренним оребрением

Классы МПК:F28D7/10 с трубами, расположенными одна внутри другой, например концентрично 
F28F1/42 расположенными как снаружи, так и внутри трубчатого элемента 
Автор(ы):,
Патентообладатель(и):Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" - ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ" (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2011-10-12
публикация патента:

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано при производстве оребренных труб для теплообменных аппаратов. В теплообменной трубе, включающей трубчатую заготовку, на внутренней поверхности которой выполнены продольные пазы и полый сердечник с продольными пазами на его наружной поверхности, ребра вставлены с одной стороны в пазы трубчатой заготовки, а с другой - в пазы сердечника, Трубчатая заготовка ориентирована относительно сердечника таким образом, чтобы их продольные пазы были смещены относительно друг друга на заданный угол устройство теплообменной трубы с внутренним оребрением, патент № 2479814 . Ребра выполнены в виде плоских деталей, каждое ребро выполнено составным из двух прямолинейных элементов, один из которых выполнен с заостренным продольным краевым участком в зоне сопряжения со вторым элементом, выполненным с ответной частью клиновидной формы. В пазах трубчатой заготовки и сердечника размещены легкоплавкие вставки. Элемент ребра с ответной частью клиновидной формы выполнен составным из двух симметричных продольных частей. Угол заострения продольного краевого участка одного элемента ребра меньше угла раскрытия паза клиновидной формы второго элемента ребра. Технический результат: повышение безопасности устройства в условиях повышенных температур или пожара, снижение трудоемкости изготовления. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

устройство теплообменной трубы с внутренним оребрением, патент № 2479814 устройство теплообменной трубы с внутренним оребрением, патент № 2479814

Формула изобретения

1. Устройство теплообменной трубы с внутренним оребрением, содержащее трубчатую заготовку, на внутренней поверхности которой выполнены продольные пазы, полый сердечник, на наружной поверхности которого выполнены продольные пазы, ребра, вставленные с одной стороны в пазы трубчатой заготовки, а с другой стороны - в пазы сердечника, трубчатая заготовка ориентирована относительно сердечника таким образом, что их продольные пазы смещены относительно друг друга на заданный угол устройство теплообменной трубы с внутренним оребрением, патент № 2479814 , отличающееся тем, что ребра выполнены в виде плоских деталей, каждое ребро выполнено составным из двух прямолинейных элементов, один из которых выполнен с заостренным продольным краевым участком в зоне сопряжения со вторым элементом, выполненным с ответной частью в виде паза клиновидной формы.

2. Устройство тепловой трубы с внутренним оребрением по п.1, отличающееся тем, что в пазах трубчатой заготовки и сердечника размещены легкоплавкие вставки.

3. Устройство тепловой трубы с внутренним оребрением по п.1, отличающееся тем, что элемент ребра с ответной частью клиновидной формы выполнен составным из двух симметричных продольных частей.

4. Устройство тепловой трубы с внутренним оребрением по п.1, отличающееся тем, что угол заострения продольного краевого участка элемента ребра меньше угла раскрытия паза клиновидной формы второго элемента ребра.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано при производстве оребренных труб, холодильных аппаратов или контейнеров, предназначенных для хранения отработавшего топлива ядерных реакторов, а также других материалов или объектов, где требуется обеспечение эффективной передачи тепла.

Известно устройство с оребренной поверхностью, изготовленное способом (патент РФ № 2141615, приоритет 14.04.98 г., МПК F28F 3/02, опубликован 20.11.99 г. БИ № 32), в котором готовое изделие получено укладкой дисков оребрения в кондуктор с последующим введением при нагреве во внутренние отверстия дисков оребрения предварительно охлажденной в среде жидкого азота трубы с последующим изъятием оребренной поверхности из кондуктора.

При нагреве трубы теплом окружающей среды происходит ее тепловое расширение, в результате чего обеспечивается необходимый контакт между трубой и ребрами.

Недостатками данного устройства являются:

- существенные технологические трудности, возникающие при охлаждении жидким азотом крупногабаритных труб (диаметром порядка 1устройство теплообменной трубы с внутренним оребрением, патент № 2479814 3 м и длиной 2устройство теплообменной трубы с внутренним оребрением, патент № 2479814 4 м);

- невозможность изготовления трубы с продольными ребрами.

Известно в качестве прототипа устройство теплообменной трубы с внутренним оребрением (патент РФ № 2190138, приоритет от 10.08.2000 г., МПК F28F 1/40, опубликован 27.09.2002 БИ № 27), в котором внутрь трубчатой заготовки введены сердечник и ребра. Предварительно на внутренней поверхности заготовки и внешней поверхности заранее выполненного полым сердечника выполняют продольные пазы, а ребра, выполненные отдельно от сердечника, изготовлены изогнутыми. Затем сердечник фиксируют, а трубчатую заготовку ориентируют относительно сердечника так, чтобы их продольные пазы были установлены относительно друг друга со смещением на угол устройство теплообменной трубы с внутренним оребрением, патент № 2479814 . Далее вводят ребра в пазы заготовки и сердечника, поворачивают заготовку до полной выборки угла устройство теплообменной трубы с внутренним оребрением, патент № 2479814 , при этом угол устройство теплообменной трубы с внутренним оребрением, патент № 2479814 определяют из условия:

устройство теплообменной трубы с внутренним оребрением, патент № 2479814 ,

где R1 - наружный радиус сердечника,

r1 - радиус паза на наружной поверхности сердечника,

R2 - внутренний радиус заготовки,

r2 - радиус паза на внутренней поверхности заготовки,

L - расстояние в поперечном сечении между крайними точками ребра, соприкасающимися с сердечником и заготовкой,

после чего заготовку фиксируют относительно сердечника, а первоначальную фиксацию сердечника снимают. В результате выполнения перечисленных операций создается упругая деформация ребер, обеспечивающая необходимый для передачи тепла контакт между сердечником, ребрами и трубчатой заготовкой.

Недостатком известного изобретения являются большие трудозатраты, необходимые для придания ребрам изогнутой формы, а также отсутствие возможности изоляции сердечника от трубчатой заготовки в условиях аварийных термических воздействий.

Задачей авторов изобретения является разработка устройства теплообменной трубы, обеспечивающего высокую экономичность при осуществлении процесса изготовления устройства, а также повышение безопасности его использования в условиях аварийных термических воздействий.

Указанное устройство теплообменной трубы с внутренним оребрением выбрано в качестве прототипа.

Новый технический результат, достигаемый при использовании предлагаемого устройства, заключается в обеспечении более высокой экономичности при осуществлении процесса сборки устройства, повышение безопасности его использования в условиях аварийных термических воздействий при одновременном сохранении упругих деформаций в ребрах, способствующих созданию необходимой тепловой проводимости между контактирующими деталями.

Дополнительные технические результаты заключаются также в повышении безопасности устройства за счет сохранения работоспособности тепловой трубы в условиях повышенных температур или пожара, в снижении трудоемкости изготовления устройства.

Указанные задача и новый технический результат достигаются тем, что в конструкции теплообменной трубы, включающей трубчатую заготовку, на внутренней поверхности которой выполнены продольные пазы, полый сердечник, на наружной поверхности которого выполнены продольные пазы, ребра, вставленные в пазы с одной стороны трубчатой заготовки, а с другой стороны - в пазы сердечника, трубчатая заготовка ориентирована относительно сердечника таким образом, что их продольные пазы смещены относительно друг друга на заданный угол устройство теплообменной трубы с внутренним оребрением, патент № 2479814 , согласно изобретению ребра выполнены в виде плоских деталей, каждое ребро выполнено составным из двух прямолинейных элементов, один из которых выполнен с заостренным продольным краевым участком в зоне сопряжения со вторым элементом, выполненным с ответной частью клиновидной формы.

Кроме того, в предлагаемой конструкции теплообменной трубы в пазах трубчатой заготовки и сердечника размещены легкоплавкие вставки.

Кроме того, в конструкции теплообменной трубы элемент ребра с ответной частью клиновидной формы выполнен составным из двух симметричных продольных частей.

Кроме того, в конструкции теплообменной трубы угол заострения продольного краевого участка элемента ребра меньше угла раскрытия паза клиновидной формы второго элемента ребра.

Выборка зазоров между сопрягаемыми деталями и создание в ребрах упругих деформаций, обеспечиваемых за счет выполнения ребер составными из двух прямолинейных элементов, один из которых выполнен с заостренным продольным краевым участком в зоне сопряжения со вторым элементом, выполненным с ответной частью клиновидной формы, позволяет создать необходимую тепловую проводимость, обеспечивающую эффективный теплообмен между сердечником и заготовкой, и снизить затраты при осуществлении процесса изготовления устройства. При этом угол заострения клина больше угла раскрытия ответной детали.

Выполнение элемента ребра с ответной частью клиновидной формы составным из двух симметричных продольных частей позволяет снизить затраты при осуществлении процесса изготовления устройства.

Размещение в пазах трубчатой заготовки легкоплавких вставок позволяет обеспечить безопасность использования устройства в условиях аварийных термических воздействий или пожара.

Наличие отличительных признаков от прототипа говорит о соответствии предлагаемого решения критерию изобретения «новизна».

Заявляемое устройство соответствует и критерию «изобретательский уровень», так как не выявлено источников известности, где был бы описан технический результат, достигаемый предложенной совокупностью признаков.

На фиг.1 изображен вид теплообменной трубы на первом этапе сборки, где:

1 - сердечник полый,

2 - ребро,

3 - трубчатая заготовка,

4 - продольный паз на внешней поверхности сердечника,

5 - продольный паз на внутренней поверхности заготовки,

6 - зазор между сердечником и ребром,

7 - зазор между заготовкой и ребром,

8, 9 - крайние точки ребра в поперечном сечении, соприкасающиеся с сердечником и заготовкой,

10 - элемент ребра с заостренным продольным краевым участком,

11 - элемент ребра с пазом клиновидной формы,

12 - легкоплавкие вставки,

13, 14 - продольная часть элемента ребра с пазом клиновидной формы,

устройство теплообменной трубы с внутренним оребрением, патент № 2479814 - угол смещения трубчатой заготовки относительно сердечника.

На фиг.2 изображена теплообменная труба после сборки.

Теплообменную трубу с внутренним оребрением изготавливают из трубчатой заготовки 3, сердечника 1 и ребер 2. При этом расстояние в поперечном сечении между крайними точками ребра, соприкасающимися с сердечником и заготовкой, выбирают из условия:

L=(R2-R1+r1+r2+устройство теплообменной трубы с внутренним оребрением, патент № 2479814 R1+устройство теплообменной трубы с внутренним оребрением, патент № 2479814 R2+устройство теплообменной трубы с внутренним оребрением, патент № 2479814 r1+устройство теплообменной трубы с внутренним оребрением, патент № 2479814 r2+устройство теплообменной трубы с внутренним оребрением, патент № 2479814 L+устройство теплообменной трубы с внутренним оребрением, патент № 2479814 П)KН,

где устройство теплообменной трубы с внутренним оребрением, патент № 2479814 R1, устройство теплообменной трубы с внутренним оребрением, патент № 2479814 R2, устройство теплообменной трубы с внутренним оребрением, патент № 2479814 r1, устройство теплообменной трубы с внутренним оребрением, патент № 2479814 r2, устройство теплообменной трубы с внутренним оребрением, патент № 2479814 L - модули значений предельных отклонений размеров R1, R2, r1, r2, L, соответственно,

устройство теплообменной трубы с внутренним оребрением, патент № 2479814 П - модуль значения предельного отклонения взаимного расположения сердечника и заготовки,

KН - коэффициент, учитывающий создание предварительного напряженного состояния ребер в процессе сборки (KНустройство теплообменной трубы с внутренним оребрением, патент № 2479814 1).

Процесс изготовления теплообменной трубы выполняют в следующей последовательности.

Предварительно устанавливают трубчатую заготовку 3. Затем вводят внутрь заготовки 3 сердечник 1, который фиксируют в этом положении. Далее ориентируют трубчатую заготовку 3 относительно сердечника 1 так, чтобы их продольные пазы 4 и 5 находились относительно друг друга со смещением на угол устройство теплообменной трубы с внутренним оребрением, патент № 2479814 1. Затем вводят в пазы ребра 2, состоящие (каждый) из элементов 10, имеющих заостренный продольный краевой участок, и элементов 11 с продольными частями 13, 14, имеющих паз клиновидной формы. После этого поворачивают заготовку 3 до полной выборки угла устройство теплообменной трубы с внутренним оребрением, патент № 2479814 , фиксируют заготовку 3 относительно сердечника 1, а первоначальную фиксацию сердечника снимают. При повороте заготовки 3 исчезают зазоры 6 и 7 между ребрами 2, сердечником 1 и заготовкой 3 и происходит упругая деформация ребер, обеспечивающая необходимый контакт и тепловую проводимость между сопрягаемыми деталями.

В качестве подтверждения промышленной применимости рассмотрим пример теплообменной трубы с внутренним оребрением.

Материал сердечника 1 и трубчатой заготовки 3 - сталь 12ХН10Т.

Материал ребер 2 - алюминиевый сплав - АЛ-19.

Значения размеров деталей и модулей предельных отклонений:

- R1=1150 мм,

- R2=1300 мм,

- r1=r 2=5 мм,

- устройство теплообменной трубы с внутренним оребрением, патент № 2479814 R1=2,5 мм,

- устройство теплообменной трубы с внутренним оребрением, патент № 2479814 R2=2,5 мм,

- устройство теплообменной трубы с внутренним оребрением, патент № 2479814 r1=устройство теплообменной трубы с внутренним оребрением, патент № 2479814 r2=0,16 мм,

- устройство теплообменной трубы с внутренним оребрением, патент № 2479814 L=0,6 мм,

- устройство теплообменной трубы с внутренним оребрением, патент № 2479814 П=2,5 мм.

Коэффициент, учитывающий гарантированную упругую деформацию ребер после сборки, был принят равным KН=1,01.

Расстояние в поперечном сечении между крайними точками ребра, соприкасающимися с сердечником и заготовкой, было равно:

L=(1300-1150+5+5+2,5+2,5+0,16+0,16+0,6+2,5)·1,1=176,8 мм.

Вычисленное значение угла между пазами сердечника и заготовки составило устройство теплообменной трубы с внутренним оребрением, патент № 2479814 =3,53.

В конструкции трубы с внутренним оребрением было использовано 74 ребер толщиной 5 мм, установленных с шагом 50 мм. Ребра были выполнены составными из двух прямолинейных элементов 10 и 11 (с продольными частями 13 и 14), один из которых (10) изготовлен с заостренным продольным краевым участком в зоне сопряжения со вторым элементом. Угол заострения составлял 5°. Ответная часть второго элемента (11) ребра имела паз клиновидной формы с углом раскрытия клина (паза) 4,5°.

Длина всей конструкции составляла 2,4 м.

Момент, необходимый для поворота трубчатой заготовки, составил ~5,7·10 5 Н·м на 1 м длины оребренной трубы.

Выполнение описанных выше элементов и операций по их сборке позволило создать эффективную тепловую проводимость между сердечником и трубчатой заготовкой. При этом существенно упростилась технология, что привело к снижению трудоемкости и затрат по изготовлению теплообменной трубы с внутренним оребрением.

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

теплообменное устройство для порошкового и гранулярного материала и способ его изготовления -  патент 2503904 (10.01.2014)
теплообменный аппарат -  патент 2498183 (10.11.2013)
теплообменный аппарат -  патент 2486425 (27.06.2013)
вихревой теплообменный элемент -  патент 2456522 (20.07.2012)
переходник -  патент 2410621 (27.01.2011)
переходник -  патент 2410620 (27.01.2011)
способ изготовления тракта охлаждения теплонапряженных конструкций -  патент 2404395 (20.11.2010)
способ нагрева и/или испарения органической среды и теплообменный блок для извлечения теплоты от потока горячего газа -  патент 2403522 (10.11.2010)
переходник -  патент 2396499 (10.08.2010)
вихревой теплообменный сепаратор для очистки газа от паров примесей -  патент 2396129 (10.08.2010)

Класс F28F1/42 расположенными как снаружи, так и внутри трубчатого элемента 

Наверх