Устройство для очистки наружной поверхности труб
Предлагаемое техническое решение относится к устройствам для очистки наружных теплообменных поверхностей и может быть использовано для очистки труб теплообменных аппаратов типа труба в трубе в химической, нефтехимической, металлургической, машиностроительной, горнодобывающей, фармакологической и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах утилизаций тепла газов и жидкостей. Техническим результатом предлагаемой конструкции устройства для очистки наружной поверхности труб является повышение качества очистки. Поставленный технический результат достигается тем, что в устройстве для очистки наружной поверхности труб, включающем наружную и внутреннюю трубы с патрубками входа и выхода жидкой рабочей среды и очистные элементы с положительной плавучестью, при этом патрубки входа и выхода наружной трубы установлены тангенциально к ее боковой поверхности, причем очистные элементы представляют собой несущую основу, в которой равномерно по объему распределены абразивные зерна, при этом масса абразивных зерен и масса несущей основы подчиняются соотношению:
,
где mз, mо - соответственно масса абразивных зерен и масса несущей основы, кг; 
з, о, с - соответственно плотности абразивных зерен, несущей основы и жидкой рабочей среды, кг/м. Причем несущая основа выполнена из однокомпонентной полиуретановой пены.
Предлагаемое техническое решение относится к устройствам для очистки наружных теплообменных поверхностей и может быть использовано для очистки труб теплообменных аппаратов типа труба в трубе в химической, нефтехимической, металлургической, машиностроительной, горнодобывающей, фармакологической и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах утилизаций тепла газов и жидкостей.
Известно устройство для очистки наружной поверхности труб, включающее наружную и внутреннюю трубы с патрубками входа и выхода жидкой рабочей среды, установленными тангенциально к боковой поверхности наружной трубы, и очистные элементы, представляющие собой зернистый материал с положительной плавучестью, при этом на крышке наружной трубы параллельно оси труб установлен дополнительный патрубок, в котором закреплена трубка с возможностью продольного перемещения, имеющая на конце щелевую прорезь в боковой поверхности для тангенциальной подачи жидкой рабочей среды с зернистым материалом на очищаемую поверхность (патент на полезную модель 
114889, B08B 9/00, 2012).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится невозможность качественной очистки наружной поверхности труб из-за быстрого износа и загрязнения рабочей поверхности дополнительного патрубка со щелевой прорезью.
Известно устройство для очистки наружной поверхности труб, включающее 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 (патент на полезную модель 109675, B08B 9/00, 2011).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточное качество очистки загрязненных поверхностей при высокой силе сцепления загрязнений с очищаемой поверхностью (накипи, солевого камня).
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявляемому объекту и принятому за прототип является устройство для очистки наружной поверхности труб, включающее наружную и внутреннюю трубы с патрубками входа и выхода жидкой рабочей среды и очистными элементами с положительной плавучестью, при этом патрубки входа и выхода наружной трубы установлены тангенциально к ее боковой поверхности, а очистные элементы представляют собой несущую основу, в которой равномерно по объему распределены абразивные элементы, в качестве которых может быть использован зернистый материал (патент на полезную модель 117328, B08B 9/023, 2012).
К причинам, препятствующим достижению заданного техническое, результата, относится невозможность качественной очистки наружной поверхности труб из-за низких абразивных свойств очистных элементов (например, частицы керамзита, имеющие положительную плавучесть, полируют очищаемую поверхность из-за тонкости фракции глины).
Задачей предлагаемой полезной модели является применение очистных элементов с положительной плавучестью и с высокими абразивными свойствами.
Техническим результатом предлагаемой конструкции устройства для очистки наружной поверхности труб является повышение качества очистки.
Поставленный технический результат достигается тем, что в устройстве для очистки наружной поверхности труб, включающем наружную и внутреннюю трубы с патрубками входа и выхода жидкой рабочей среды и очистными элементами с положительной плавучестью, при этом патрубки входа и выхода наружной трубы установлены тангенциально к ее боковой поверхности, а очистные элементы представляют собой несущую основу, в которой равномерно по объему распределены абразивные элементы, в качестве которых может быть использован зернистый материал, отличающееся тем, что масса абразивных зерен и масса несущей основы подчиняются соотношению:
где mз, mо - соответственно масса абразивных зерен и масса несущей основы, кг;
з, о, с - соответственно плотности абразивных зерен, несущей основы и жидкой рабочей среды, кг/м3.
Причем несущая основа выполнена из однокомпонентной полиуретановой пены.
Уменьшение нижнего предела численного коэффициента в соотношении (1) ниже указанного предела равного 0,2 уменьшает долю абразивных зерен в очистных элементах, что снижает качество очистки обрабатываемой поверхности.
Увеличение верхнего предела численного коэффициента в соотношении (1) выше указанного предела равного 0,5 приближает плотность очистного элемента к плотности жидкой рабочей среды. В центробежном поле это приводит к снижению силы прижатия очистного элемента к очищаемой теплообменной поверхности, а значит снижает качество ее очистки.
В качестве абразивных зерен могут быть использованы крупные частицы песка, корунда, карбида кремния и другие, имеющие острые режущие грани.
Использование для изготовления очистных элементов в качестве несущей основы однокомпонентной полиуретановой пены, имеющей плотность о значительно меньшую плотности жидкой рабочей среды с, придает очистным элементам высокую положительную плавучесть, что позволяет добавлять в нее большое количество абразивных зерен, имеющих плотность з более высокую, чем плотность жидкой рабочей среды с. Кроме того, несущая основа из однокомпонентной полиуретановой пены после затвердевания удерживает абразивные зерна в очистном элементе. Это способствует увеличению прочности закрепления абразивных зерен в очистном элементе и времени контакта абразивных зерен с очищаемой поверхностью, а значит улучшает качество очистки.
Таким образом, использование в качестве несущей основы однокомпонентной полиуретановой пены, в которой равномерно по объему распределены абразивные зерна с соотношением массы зерен к массе несущей основы, подчиняющегося условию (1), позволяет проводить очистку в центробежном поле, прижимающем с большой силой очистные элементы к очищаемой поверхности, и одновременно обеспечивать большое количество режущих граней, взаимодействующих с очищаемой поверхностью, что увеличивает качество очистки.
На фиг. 1 показано устройство для очистки наружной поверхности труб, общий вид; на фиг. 2 изображен очистной элемент сферической формы; на фиг. 3 - очистной элемент в виде цилиндра.
Устройство для очистки наружной поверхности труб состоит из наружной трубы 1 и внутренней трубы 2. На входе наружной трубы 1 тангенциально к ее поверхности установлен патрубок 3, а на выходе также тангенциально установлен патрубок 4. На входе внутренней трубы 2 установлен патрубок 5, а на выходе - патрубок 6. Каждый очистной элемент 7, например, сферической или цилиндрической формы, представляет собой несущую основу 8, в которой равномерно по объему распределены абразивные зерна 9.
Устройство для очистки наружной поверхности труб работает следующим образом. В межтрубное пространство наружной трубы 1 и внутренней трубы 2 подают жидкую рабочую среду по патрубку 3. Жидкая рабочая среда содержит очистные элементы 7. Очистные элементы 7 представляют собой несущую основу 8, выполненную, например, из затвердевшей однокомпонентной полиуретановой пены и имеющей плотность о много меньшую плотности жидкой рабочей среды, которая имеет плотность с, и равномерно распределенных по объему несущей основы 8 абразивных зерен 9 с плотностью з. В случае выполнения условия (1) плотность каждого очистного элемента 7 будет меньше плотности жидкой рабочей среды. При вращении жидкой рабочей среды в межтрубном пространстве наружной трубы 1 и внутренней трубы 2 возникают центробежные силы, а так как плотность очистных элементов 7 меньше плотности жидкой рабочей среды, то очистные элементы 7 будут прижиматься к очищаемой наружной поверхности внутренней трубы 2, а режущие грани абразивных зерен 9 будут удалять с нее различные отложения.
При любой форме очистных элементов 7 и при равномерном распределении абразивных зерен 9 по объему несущей основы 8 на поверхности будут находиться режущие грани абразивных зерен 9, а значит при их соприкосновении с очищаемой поверхностью с нее будут удаляться загрязнения. Однако предпочтительна сферическая форма очистных элементов 7, так как в этом случае при одинаковом объеме самих очистных элементов 7 и одинаковой концентрации в них абразивных зерен 9, поверхность очистных элементов 7 минимальна, а значит возрастает число абразивных зерен 9, режущие грани которых находятся на очищаемой поверхности и участвуют в удалении с нее загрязнений.
Очистные элементы 7 можно приготовить следующим образом. В рабочую емкость помещают mо килограмм несущей основы 8, например, однокомпонентной полиуретановой пены. В нее добавляют mз килограмм абразивных зерен 9 так, чтобы выполнялось условие (1), перемешивают для равномерного распределения абразивных зерен 9 по объему несущей основы 8. Затвердевающую массу разделяют на равные части и обкатывают их до придания сферической формы (фиг. 2) или пропускают через шнековую машину с круглой фильерой на выходе, а затем полученный на выходе цилиндрический жгут разрезают на отдельные цилиндрические очистные элементы 7 (фиг. 3). После застывания несущей основы 8 из однокомпонентной полиуретановой пены очистные элементы 7 можно использовать для очистки наружных теплопередающих поверхностей.
Пример. Выбираем в качестве жидкой рабочей среды воду как наиболее дешевую и недефицитную жидкость. Плотность жидкой рабочей среды с=1000 кг/м3. В качестве абразивных зерен по тем же причинам выбираем крупнозернистый песок, плотность которого з=2000 кг/м (Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - М.: ООО ТИД «Альянс», 2005, С. 511). Размер зерен песка равен d3=0,5 мм (Основные параметры и размеры песка // Природный песок [Электронный ресурс]. - [2013]. - Режим доступа: http://nevanerud.ru/pesok). Плотность полиуретановой пены (коммерческое название - монтажная пена) составляет о=50 кг/м3 (Применение полиуретановой монтажной пены // Физические свойства полиуретановой монтажной пены [Электронный ресурс]. - [2013]. - Режим доступа: http://www.stoyberi.ru/advice/primenenie_montazhnoy_peny, ГОСТ 20448-90. Газы углеводородные сжиженные топливные для коммунально-бытового потребления). Тогда согласно условию (1) массовая концентрация зерен песка в несущей основе из полиуретановой пены должна находиться в пределах
кг песка/кг однокомпонентной полиуретановой пены, где Cз - массовая концентрация зерен песка в несущей основе из однокомпонентной полиуретановой пены.
Выбираем из рассчитанного диапазона концентраций, соответствующего условию (1) среднюю массовую концентрацию зерен песка в однокомпонентной полиуретановой пене 13 кг песка на 1 кг однокомпонентной полиуретановой пены. В этом случае плотность образующихся очистных элементов 7 составит
то есть будет почти в 2 раза меньше плотности жидкой рабочей среды рс=1000 кг/м. При массе каждого очистного элемента mэ=1 г=10-3 кг его объем составит:
,
а диаметр сферы
.
Под действием центробежной силы
где 
с - окружная скорость вращения жидкой рабочей среды при ее тангенциальной подаче в межтрубное пространство (фиг. 1);
rн - наружный радиус внутренней трубы 2, поверхность которой предназначена для очистки, очистной элемент 7 прижимается к наружной поверхности внутренней трубы 2, удаляя с нее отложения.
При скорости вращения жидкой рабочей среды с=10 м/с (как в гидроциклоне) и наружном радиусе внутренней трубы 0,05 м, центробежная сила, прижимающая очистные элементы 7 к очищаемой стенке наружной поверхности внутренней трубы 2, составит
,
то есть очистной элемент массой 1 г будет прижиматься к очищаемой поверхности с силой, в 200 раз превышающей ее вес.
Для определения числа зерен песка в одном очистном элементе при диаметре зерен dз=0,5 мм=0,5·10 -3 м объем зерна равен
.
Масса зерен песка в одном очистном элементе
,
где nз - число зерен песка в одном очистном элементе.
Масса несущей основы из однокомпонентной полиуретановой пены в одном очистном элементе
.
Выше принято, что очистной элемент имеет массу mэ=1 г=1-3 кг. Тогда
.
Отсюда число зерен песка в одном очистном элементе составит:
.
В результате получили, что в очистном элементе массой 1 г и диаметром 1,55 см находится 7097 абразивных зерен из песка плотностью 2 г/см3, диаметром 0,5 мм и при их относительной массовой концентрации 13 кг песка на 1 кг однокомпонентной полиуретановой пены.
Таким образом, выполнение очистных элементов в виде несущей основы из однокомпонентной полиуретановой пены, в которой равномерно по объему распределены абразивные зерна, подчиняющейся условию (1), обеспечивает при вращении жидкой рабочей среды около очищаемой наружной поверхности труб теплообменников, котлов, реакторов большую центробежную силу и большое число очистных элементов, прижимающихся к очищаемой теплообменной поверхности, что способствует повышению качества ее очистки. Кроме того, такие очистные элементы можно применять для очистки поверхностей, находящихся под водой, нефтяных платформ, морских и речных судов, танкеров, нефтеналивных и плавучих заправочных станций от солевого камня, ржавчины, биообрастаний и других отложений.
1. Устройство для очистки наружной поверхности труб, включающее наружную и внутреннюю трубы с патрубками входа и выхода жидкой рабочей среды и очистными элементами с положительной плавучестью, при этом патрубки входа и выхода наружной трубы установлены тангенциально к ее боковой поверхности, а очистные элементы представляют собой несущую основу, в которой равномерно по объему распределены абразивные элементы, в качестве которых может быть использован зернистый материал, отличающееся тем, что масса абразивных зерен и масса несущей основы подчиняются соотношению:
где mз, mо - соответственно масса абразивных зерен и масса несущей основы, кг;
з, о, с - соответственно плотности абразивных зерен, несущей основы и жидкой рабочей среды, кг/м3.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что несущая основа выполнена из однокомпонентной полиуретановой пены.
РИСУНКИ
