ПЕРСПЕКТИВНЫЕ КОНСТРУКЦИИ ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ

ИЗВЕСТИЯ ВолгГТУ
25
УДК 66.045
С. Б. Воротнева, А. Б. Голованчиков, Н. А. Дулькина, Ю. В. Аристова
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ КОНСТРУКЦИИ ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ АППАРАТОВ
ТИПА «ТРУБА В ТРУБЕ»
Волгоградский государственный технический университет
Рассмотрены современные методы очистки внутренней и наружной поверхностей труб тепломассообменных аппаратов. Разработаны новые конструкции аппаратов типа «труба в трубе» с механическим устройством для очистки поверхностей труб, с тангенциальным подводом теплоносителя в межтрубное пространство и с устанавливаемыми в патрубки входа и выхода жидкой рабочей среды трубчатыми элементами.
Ключевые слова: тепломассообмен, аппарат, реактор, «труба в трубе», устройство, очистка, зернистый
материал, абразив, трубчатый элемент.
S. B. Vorotneva, A. B. Golovanchikov, N. A. Dulkina, J. V. Aristova
PERSPECTIVE DESIGNS HEAT-MASSTRANSFER APPARATUS TYPE OF «PIPE-IN-PIPE»
Volgograd State Technical University
The paper analyzes modern methods of cleaning the internal and external surfaces of pipes of heat-masstransfer
apparatus. New designs of devices «pipe in pipe» with the mechanical device for clearing surfaces of pipes, with a
tangential admission of heat-carrier in the shell side and with tubular elements installed in pipes of entrance and exit
the liquid operating environment were developed.
Keywords: heat-masstransfer, apparatus, reactor, «pipe in pipe», device, clearing, discrete material, abrasive,
tubular element.
В настоящее время в химической и нефтехимической промышленностях, в экологических процессах утилизации тепла газов и жидкостей актуальным является вопрос очистки
внутренних и наружных поверхностей труб в
тепло-массообменных аппаратах и реакторах
типа «труба в трубе» [1, 2].
Под очисткой тепломассообменных аппаратов типа «труба в трубе» подразумевается удаление с внутренних и наружных поверхностей
накипи и налета, а также устранение скопившихся отложений и загрязнений. В процессе
эксплуатации теплообменного оборудования
через систему проходит огромное количество
теплоносителя, который может содержать различного рода загрязнители вроде ила, различных микроорганизмов, оксидов металла и продуктов коррозии [3, 4].
Налет, оседающий на внутренних стенках
теплообменного оборудования, может стать
причиной ухудшения теплопроводности системы, что приведет к существенному снижению
эффективности и увеличению расходов на поддержание заданных температурных параметров. Кроме этого, скапливающиеся на поверхностях труб отложения затрудняют циркуляцию теплоносителя и увеличивают гидравлическое сопротивление, что опять же приводит к
снижению эффективности и возможному выходу из строя системы. Регулярная очистка теплообменного оборудования является единст-
венной достаточной мерой, способной исключить дополнительные расходы, капитальный
ремонт или замену теплообменного аппарата [3].
На сегодняшний день выделяют два основных метода очистки поверхностей труб тепломассообменных аппаратов, различных как по
принципу действия, так и по степени эффективности: разборная механическая очистка и безразборная гидрохимическая очистка. Обычно
разборную очистку теплообменного оборудования относят к крайним мерам, необходимость в
которых возникает только в самых запущенных
случаях, в то время как безразборная гидрохимическая очистка считается мерой, подходящей
для регулярного сервисного обслуживания любых тепломассообменных аппаратов [5].
Для повышения качества безразборной очистки и эффективности работы теплообменного
оборудования разработаны новые конструкции
аппаратов типа «труба в трубе»:
− с механическим устройством для очистки
поверхностей труб;
− с тангенциальным подводом теплоносителя с зернистым материалом в межтрубное пространство;
− с устанавливаемыми в патрубки входа и
выхода жидкой рабочей среды трубчатыми
элементами.
Особенностью этих конструкций является
использование абразивных элементов с положительной плавучестью.
26
ИЗВЕСТИЯ ВолгГТУ
Конструкция тепломассообменного аппарата типа «труба в трубе» с механическим уст-
ройством для очистки поверхностей труб представлена на рис. 1 [6].
Рис. 1. Тепломассообменный аппарат с механическим устройством для очистки наружной поверхности труб:
1 – корпус; 2 – радиальные пазы; 3 – плавающие втулки; 4 – очистные элементы; 5 – отверстия; 6 – валики; 7 – рабочие лопасти;
8 – наружная труба; 9 – внутренняя труба
В данной конструкции тепломассообменного
аппарата для интенсификации процесса удаления отложений с поверхности труб в полом корпусе 1, установленном с зазором на трубе, выполнены радиальные пазы 2. В пазах установлены очистные элементы 4 на плавающих втулках
3. Чтобы очистные элементы при вращении
втулки под действием центробежной силы прижимались к внешней поверхности очищаемой
трубы, они имеют положительную плавучесть.
Для вращения втулок 3 с очистными элементами
4 вокруг своей оси на наружной поверхности
втулки закреплены лопасти 7, которые под действием потока жидкости вращают втулки с очистными элементами вокруг своей оси.
Одновременное осевое перемещение полого
корпуса вдоль трубы и вращение вокруг трубы
полого корпуса за счет набегающего на лопасти
потока рабочей жидкости заставляет под действием центробежной силы прижиматься плавающие втулки с очистными элементами к
очищаемой поверхности, а дополнительное
вращение валиков с лопастями, плавающими
втулками и очистными элементами вокруг оси
валиков увеличивает абразивное воздействие
очистных элементов на очищаемую поверхность трубы и интенсифицирует процесс удаления отложений с этой поверхности [6].
Таким образом, предлагаемая конструкция
тепло-массообменного аппарата типа «труба в
трубе» с механическим устройством для очистки поверхностей труб позволяет интенсифицировать процесс удаления отложений на поверхности труб за счет дополнительного вращения
очистных элементов 4 вместе с валиками 6 вокруг оси последних. Это ускоряет процесс очи-
стки, повышает ее качество, уменьшает число
проходов, требуемых для очистки поверхностей труб и связанных с изменением направления потока рабочего агента, что, в конечном
счете, уменьшает время очистки, расход рабочего агента, идущего на эту очистку, приводит
к экономии энергозатрат и стоимости очистки.
Но данная конструкция имеет и недостаток –
сложность конструкции и эксплуатации полого
корпуса и очистных элементов с устройством
их прижима к очищаемой поверхности.
Для устранения этого недостатка разработана другая конструкция тепломассообменного
аппарата типа «труба в трубе» с тангенциальным подводом теплоносителя с зернистым материалом в межтрубное пространство, которая
представлена на рис. 2 [7].
Предлагаемое устройство для очистки наружной поверхности труб работает следующим
образом. В межтрубное пространство труб 1 и 2
подают жидкую рабочую среду по патрубку 3.
Жидкая рабочая среда содержит зернистый материал 7 с положительной плавучестью, например, плотность которого меньше плотности
этой рабочей среды, и являющегося очистными
элементами. Так как патрубки 3 и 4 установлены к боковой поверхности наружной трубы 1
тангенциально, то рабочая среда движется в
межтрубном пространстве вдоль оси труб с
вращением. Под действием центробежной силы
зернистый материал 7 с положительной плавучестью прижимается к внешней поверхности
внутренней трубы 2 и удаляет с нее частицы
ржавчины, накипи, солевого камня, продуктов
деструкции и других отложений, которые потоком рабочей среды выносятся в патрубок 4.
ИЗВЕСТИЯ ВолгГТУ
27
Рис. 2. Тепломассообменный аппарат типа «труба в трубе» с тангенциальным подводом теплоносителя
в межтрубное пространство:
1 – наружная труба; 2 – внутренняя труба; 3, 4, 5, 6 – патрубки; 7 – зернистый материал
Скорость очистки можно регулировать путем изменения расхода среды в межтрубном
пространстве [8]. Устройство несложно по конструкции, так как вместо обычной установки
патрубков входа и выхода среды требует их
тангенциальной установки (как в гидроциклонах), а очистные элементы с положительной
плавучестью, плотность которых меньше плотности рабочей среды, также не дефицитны.
Кроме того, устройство может работать в
режиме рецикла, то есть в прямом и обратном
направлении, когда патрубки 3 и 4 периодически становятся то подводящими, то отводящими среду. Одним и тем же небольшим объемом
среды с зернистым материалом 7 с положительной плавучестью можно за несколько циклов удалить даже значительные загрязнения с
наружной поверхности трубы 2. После остановки теплообменного аппарата на ремонт или
техобслуживание при накоплении на наружной
поверхности трубы 2 большого слоя загрязнений и отложений по парубку 3 вместо основной
технологической среды подают, например,
обычную воду с очистными элементами в виде
зернистого материала с положительной плавучестью – частицами керамзита. Центробежная
сила прижимает частицы керамзита к наружной
поверхности трубы 2, которые удаляют загрязнения и отложения, находящиеся на поверхности, а поток воды выносит их в патрубок 4.
Таким образом, предлагаемая конструкция
тепломассообменного аппарата типа «труба в
трубе» с тангенциальным подводом теплоносителя в межтрубное пространство позволяет
значительно сократить время очистки наружной поверхности труб теплообменного оборудования и повысить ее качество [7]. К недостаткам данной конструкции можно отнести невозможность использования предлагаемого
устройства в типовых конструкциях теплообменных аппаратах типа «труба в трубе», в которых патрубки входа и выхода жидкой рабочей среды в наружной трубе установлены нормально к ее боковой поверхности, что не позволяет приводить поток очищающей жидкости
во вращение и прижимать зернистый материал
с положительной плавучестью к наружной поверхности внутренней трубы и очищать ее от
отложений и загрязнений.
Для устранения данного недостатка разработана новая конструкция тепломассообменного
аппарата типа «труба в трубе» с устанавливаемыми в патрубки входа и выхода жидкой рабочей
среды трубчатыми элементами (рис. 3) [9].
Предлагаемая конструкция тепломассообменного аппарата типа «труба в трубе» включает в себя наружную и внутреннюю трубы с
патрубками входа и выхода жидкой рабочей
среды и очистные элементы в виде зернистого
материала с положительной плавучестью, при
этом в патрубки входа и выхода наружной трубы дополнительно установлены трубчатые элементы, диаметр которых меньше диаметра патрубков ввода и вывода жидкой рабочей среды,
причем стенки трубчатых элементов на одном
торце имеют криволинейный профиль и отогнуты в сторону наружной трубы, а на другом
их торце герметично закреплен диск.
Установка диска на одном торце трубчатого
элемента с диаметром меньшим диаметра
входного и выходного патрубков позволяет его
легко монтировать внутрь этих патрубков и затем герметично подсоединять к трубе подачи
жидкой рабочей среды с «плавающим» зернистым материалом для последующей очистки
наружной поверхности внутренней трубы. Установка трубчатых элементов в патрубки входа и выхода жидкой рабочей среды в наружной
28
ИЗВЕСТИЯ ВолгГТУ
Рис. 3. Тепломассообменный аппарат с устанавливаемыми в патрубки входа и выхода жидкой рабочей среды
трубчатыми элементами:
1 – наружная труба; 2 – внутренняя труба; 3, 4, 7, 8 – патрубки; 5 – трубчатый элемент; 6 – диск; 9 – зернистый материал
трубе позволяет закрутить рабочую среду в
межтрубном пространстве наружной и внутренней труб по всей их длине.
Предлагаемое устройство для очистки наружной поверхности труб позволяет интенсифицировать процесс очистки наружной поверхности внутренней трубы в тепломассообменном аппарате типа «труба в трубе», в котором патрубки входа и выхода жидкой рабочей
среды в наружной трубе установлены нормально к ее боковой поверхности, на всей ее длине
[10]. Конструкция данного устройства довольно проста, так как вместо тангенциальной установки патрубков входа и выхода рабочей среды
позволяет установить в нормально расположенные патрубки входа и выхода рабочей среды (как в типовых теплообменниках типа «труба в трубе») трубчатые элементы с герметично
закрепленным диском на одном торце и отогнутых в сторону наружной трубы на другом
торце [9].
Таким образом, каждая из предлагаемых
конструкций тепломассообменных аппаратов
типа «труба в трубе» с различными устройствами для очистки поверхностей труб позволяет
повысить качество очистки и эффективность
работы тепломассообменного оборудования за
счет интенсификации процесса удаления отложений, загрязнений, накипи, солевых камней и
других продуктов деструкции.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Голованчиков, А. Б. Вращательно-поступательное
кольцевое движение двух несмешивающихся жидкостей в
трубе / А. Б. Голованчиков, Л. А. Ильина, Н. А. Дулькина //
Изв. ВолгГТУ: межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. – Волгоград, 2007. – № 2. – C. 5–8. (Сер. Актуальные проблемы
управления, вычислительной техники и информатики в
технических системах. Вып. 2).
2. Голованчиков, А. Б. Моделирование структуры потока в неизотермических реакторах вытеснения / А. Б. Голо-
ванчиков, Н. А. Дулькина, Н. Г. Кокорина // Изв. ВолгГТУ:
межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. – Волгоград, 2010. – № 1. –
C. 82–86. (Сер. Реология, процессы и аппараты химической технологии. Вып. 3).
3. Очистка труб теплообменного оборудования // Очистное оборудование [Электронный ресурс]. – [2011]. – Режим доступа: http://www.a-filter.ru/ochistka_teploobmennikov.
4. Расчет трубчатого реактора с неньютоновской реакционной массой и маловязким пристенным слоем / А. Б. Голованчиков, Н. А. Дулькина, А. В. Ильин, Л. А. Ильина //
Изв. ВолгГТУ: межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. – Волгоград, 2010. – № 1. – C. 16–20. (Сер. Реология, процессы и
аппараты химической технологии. Вып. 3).
5. Голованчиков, А. Б. Интенсификация теплообмена в
кожухотрубном реакторе / А. Б. Голованчиков, Н. А. Дулькина, Ю. В. Аристова // Изв. ВолгГТУ: межвуз. сб. науч.
ст. / ВолгГТУ. – Волгоград, 2011. – № 1. – C. 76–77. (Сер.
Реология, процессы и аппараты химической технологии.
Вып. 4).
6. П. м. 97947 Российская Федерация, МПК В 08 В 9/00.
Устройство для очистки наружной поверхности труб /
А. Б. Голованчиков, В. В. Шишлянников, Т. В. Шиликова,
Н. А. Дулькина, С. Б. Воротнева; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Волгоградский государственный
технический университет». – № 2010116255/05; заявл.
23.04.10; опубл. 27.09.10.
7. П. м. 104099 Российская Федерация, МПК В 08
В 9/023. Устройство для очистки наружной поверхности
труб / А. Б. Голованчиков, Л. С. Рева, Н. А. Дулькина,
С. Б. Воротнева, С. Л. Рева, П. С. Васильев; заявитель и
патентообладатель ГОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет». – № 2010144723/05;
заявл. 01.11.10; опубл. 10.05.11.
8. Оптимизация структуры потоков в химических реакторах / А. Б. Голованчиков, Н. А. Дулькина, А. В. Ильин, Л. А. Ильина // Известия ВолгГТУ: межвуз. сб. науч.
ст. / ВолгГТУ. – Волгоград, 2009. – № 1. – C. 5–8. (Сер.
Реология, процессы и аппараты химической технологии.
Вып. 2).
9. П. м. 109675 Российская Федерация, МПК В 08 В 9/00.
Устройство для очистки наружной поверхности труб /
А. Б. Голованчиков, С. Б. Воротнева, Н. А. Дулькина,
В. А. Панов, Л. С. Рева, С. Л. Рева; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет». – № 2011124488/05; заявл.
16.06.11; опубл. 27.10.11.
10. Воротнева, С. Б. Моделирование процесса депарафинизации масляных фракций / С. Б. Воротнева, А. Б. Голованчиков, Н. А. Дулькина // Изв. ВолгГТУ: межвуз. сб. науч.
ст. / ВолгГТУ. – Волгоград, 2011. – № 1. – C. 5–9. (Сер. Реология, процессы и аппараты химической технологии. Вып. 4).