ТЕПЛООБМЕННИК Российский патент 1995 года по МПК F28D7/10 

Изобретение касается устройств для теплообмена через тонкую стенку двух или более жидких сред. Подобные теплообменники широко используются практически во всех отраслях науки, техники и производства.

Известны теплообменные аппараты, в которых обменивающиеся теплом жидкие среды протекают в тонких каналах, образованных концентрическими трубообразными элементами. Сюда относятся, например, хорошо известные теплообменники типа "труба в трубе", "патронные" и их различные модификации.

В устройстве [1] теплообменник (ТО) типа "труба в трубе" выполнен разборным с возможностью очистки всех теплопередающих поверхностей, однако содержит криволинейные элементы-калачи, очистка внутренней поверхности которых затруднена. В устройстве [2] ТО содержит четыре коаксиальных цилиндра, из которых два внутренних вынимаются, что не позволяет иметь доступ к остальным поверхностям теплопередачи. Аналогичные недостатки и у ТО [3] в котором коаксиальные цилиндры различной длины заделаны в групповые трубные доски, что также ограничивает доступ для осмотра и очистки.

Прототипом предлагаемого является [6]
Предлагаемое устройство предназначено для исключения описанных недостатков и работы в составе ТО с полным доступом ко всем поверхностям, соприкасающимся с обрабатываемыми средами. Оно должно обеспечить простоту сборки-разборки аппарата, широкие возможности изменения компоновки теплообменной части аппарата (число секций и число каналов в секциях) и типов взаимного течения сред, а также режимов их течения по отдельным секциям аппарата.

Существенные признаки предлагаемого ТО: коаксиально расположенные трубообразные оболочки с наружным и внутренним фланцами каждая, отдельные патрубки к каждой из полостей, образуемых двумя соседними оболочками, единое скрепляющее весь аппарат приспособление, наличие в каждом из каналов вставок, образующих винтовые, возвратно-поступательные или иные потоки теплоагентов. Перечисленные признаки сообщают предлагаемому устройству преимущества перед известными ТО.

На фиг. 1 дан предлагаемый теплообменник в продольном сечении (патрубки условно развернуты в плоскости чертежа); на фиг. 2 сечение двух соседних каналов теплообмена; на фиг. 3 поперечное сечение двух любых соседних каналов теплообмена (вариант выполнения); на фиг. 4 развертка цилиндрической поверхности одной из оболочек (вариант выполнения).

Теплообменник состоит из коаксиальных трубообразных оболочек 1, расположенных между нижней 2 и верхней 3 плитами, стянутыми стяжкой 4 (внутренней или набором наружных стяжек). Каждая (кроме крайних) оболочка имеет жестко соединенный с ней верхний 5 и нижний 6 фланцы с выполненными в них пазами и расположенными в них уплотнениями 7 любой формы (О-образные кольца, торцевые уплотнения и другие). Каждая оболочка 1 имеет верхний 8 и нижний 9 патрубки, открывающие доступ в каналы 10 и 11, образованные парой соседних оболочек. В варианте выполнения внутри канала может быть расположена спиральная (винтовая) вставка 12, 13 с различным шагом и направлением навивки. В другом варианте выполнения между любыми двумя соседними оболочками 1 могут быть расположены параллельно оси или под любым углом к ней отдельные вставки 14, 15, жестко соединенные с одной из оболочек.

Теплообменник работает следующим образом. Набор (произвольное число) оболочек 1 входит своими верхними и нижними торцами в соответствующие проточки верхнего 5 и нижнего 6 фланцев, закрепленных на соседних оболочках. Стяжка 4 (внутренняя или наружная) сжимает одновременно весь набор оболочек, а уплотнения 7 обеспечивают герметизацию каналов 10, 11, образуемых между оболочками 1. В патрубки 8 подаются, а из патрубков 9 отводятся теплоагенты, обменивающиеся теплом в аппарате. В общем случае может быть и более двух агентов, как показано на фиг. 1-3. Потоки теплоагентов проходят по каналам 10, 11, обмениваясь теплом через стенки оболочек 1, при этом возможно любое взаимное направление потоков в двух соседних каналах: прямоток, противоток, поперечное протекание и под любым углом, как показано в варианте выполнения на фиг. 2, за счет спиральной (винтовой) вставки 12, (13), которые в двух соседних каналах могут иметь не зависимый друг от друга шаг спирали, направление навивки, переменный по ходу потока шаг, угол наклона спирали и пр.

В варианте выполнения по фиг. 3, 4 вставки выполнены параллельно оси аппарата (как показано на фиг. 3, 4) или под произвольными углами к оси. Характерным является расположение вставок 14, 15, показанное на фиг. 4, когда вставки попеременно (через одну) расположены вплотную к верхнему или нижнему краю оболочки 1, что образует канал течения жидкости с возвратно-поступательным направлением (показано стрелками на фиг. 4 и значками "на нас" и "от нас" на фиг. 3). Кроме того, направление перемещения потока теплоагента внутри канала может быть либо по часовой стрелке (агент А на фиг. 3), либо против часовой стрелки (агент В на фиг. 3).

Кроме того, не зависимое друг от друга расположение патрубков 8 и 9 допускает их произвольное соединение друг с другом и с потоками подводимых и отводимых теплоагентов. За счет этой возможности устройство может обеспечить теплообмен двух или более сред между собой, а также различную компоновку аппарата, например, часть каналов может быть объединена в несколько пакетов, внутри которых агент движется параллельно по каждому из каналов пакета, а пакеты могут быть соединены между собой и параллельно, и последовательно. Внутри пакета направление течение агента в каждом из каналов пакета может быть попутным, встречным или под произвольным углом друг к другу, а между пакетами также не зависимыми для конкретного случая требований к процессу теплопередачи.

После этого изменение шага навивки вставки 12, (13) или шага между вставками 14, 15 позволяет изменять в нужном направлении скорость течения агентов по каналам в пределах одного пакета и от пакета к пакету. Например, если некоторый агент при охлаждении увеличивает свою вязкость, то возможно прогрессивное увеличение сечения его потока и обеспечение таким образом требуемого профиля скорости протекания агента по всему пути внутри аппарата. Последнее позволяет обеспечить управляемую производительность установки, ее тепловые и гидравлические характеристики, реологические изменения свойств агента в процессе теплообмена.

Преимущества устройства в простоте конструкции:
возможность полного доступа ко всем поверхностям теплопередачи, легкая сборка-разборка;
широкий диапазон в пределах одного аппарата компоновки секций теплопередачи (числа пакетов и каналов в пакетах);
широкий диапазон выбора направлений взаимного протока теплоагента (см. выше);
возможность управляемого выбора скоростей потоков, тепловых и гидравлических характеристик аппарата.

Возможность осуществления: разработана документация, методика расчета аппарата на заданные условия, испытан опытный образец.

Использование: в аппаратах для передачи тепла через поверхность между двумя или более жидкими средами. Сущность изобретения: теплообменник состоит из цилиндрических оболочек. Последние имеют на обоих концах фланцы с проточками и уплотнениями и патрубки для подвода и отвода среды. Между оболочками расположены вставки в виде спиралей или отдельных элементов, расположенные по окружности каждого канала. Канал образован двумя соседними оболочками. 4 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. ТЕПЛООБМЕННИК с патрубками подвода и отвода теплоносителей, содержащий коаксиальные цилиндры, соединенные единым скрепляющим устройством с образованием каналов, в полости каждого из которых расположена по крайней мере одна вставка, отличающийся тем, что каждый цилиндр, кроме крайних, снабжен внутренним и наружным фланцами с проточками, соединенными через уплотнительные элементы с торцами соседних цилиндров, а патрубки расположены на цилиндрах, причем на крайних по одному у одного из торцов, а на промежуточных по два у противоположных торцов. 2. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что цилиндры выполнены в виде оболочек, открытых с обоих торцов. 3. Теплообменник по пп.1 и 2, отличающийся тем, что патрубки расположены между торцом оболочки и фланцем, ближайшим к этому торцу. 4. Теплообменник по пп.1 и 2, отличающийся тем, что вставки в каналах жестко соединены с одной из оболочек и выполнены в виде спиралей с параметрами, изменяющимися по длине вставки и от одной вставки к другой. 5. Теплообменник по пп.1 и 2, отличающийся тем, что вставки выполнены в виде отдельных элементов, расположенных по периметру канала параллельно друг другу с поочередным примыканием к противоположным его торцам и соединенных с одной из оболочек с образованием зигзагообразного тракта, при этом элементы установлены с изменяющимися как по длине канала, так и от канала к каналу шагом и углом наклона к образующей цилиндра.