ТЕПЛООБМЕННИК Российский патент 1995 года по МПК F28D7/10 

Изобретение относится к теплотехнике, в частности к компактным разборным теплообменникам с увеличенной площадью поверхности теплообмена и может быть использовано в энергетике, химической и пищевой промышленности.

Известен теплообменник для жидкого теплоносителя, содержащий пакет, по крайней мере, их трех цилиндрических труб, расположенных соосно с образованием кольцевых каналов и двух установленных навстречу друг другу торцовых коллекторов с наружными соосными ступенчатыми цилиндрическими поверхностями, введенными в каналы и контактирующими с их стенками, причем каждый из торцевых коллекторов имеет два продольных глухих канала, сообщенных с соответствующими кольцевыми каналами проточками (патент ЕВП N 071659, F 28 D 7/10, 1985).

Недостатками известного теплообменника являются понижение его тепловой эффективности при снижении температурного напора, когда лимитирующим тепловым сопротивлением становится стенка, толщина которой не может быть меньше некоторой величины, определяемой из условия устойчивости гладкой трубы при нагружении ее наружным давлением, а также низкая степень турбулизации потоков теплоносителей в гладких кольцевых полостях теплообменника.

Известен теплообменник для жидкого теплоносителя, содержащий пакет по крайней мере из трех гофрированных спиральной дорожной цилиндрических труб, расположенных соосно с образованием кольцевых каналов и двух установленных навстречу друг другу торцевых коллекторов с наружными соосными ступенчатыми цилиндрическими поверхностями, введенными в каналы и контактирующими с их стенками, причем каждый из торцевых коллекторов имеет два продольных глухих канала, сообщенных с соответствующими кольцевыми каналами проточками прототип.

Недостатками известного теплообменника являются понижение его тепловой эффективности при снижении температурного напора, когда лимитирующим тепловым сопротивлением становится гофрированная стенка трубы, которая несмотря на гофры не может быть меньше некоторой величины, определяемой из условия устойчивости трубы при нагружении ее наружным давлением, а также недостаточная степень турбулизации потоков теплоносителей в полостях теплообменника. Кроме того, изготовление гофрированной стенки трубы является довольно сложным.

В основу изобретения поставлена задача создания теплообменника, в котором за счет выполнения всех труб, кроме наружной, в виде свитой в пространственную спираль ленты с наружными бортами, контактирующими с внутренней поверхностью соседней трубы, обеспечивается одновременно большая турбулизация потока теплоносителя, снижение толщины стенок труб, упрощение технологии изготовления.

Указанная задача решается за счет того, что в теплообменнике, содержащем пакет по крайней мере из трех цилиндрических труб, расположенных соосно с образованием кольцевых каналов и двух установленных навстречу друг другу торцевых коллекторов с наружными соосными ступенчатыми цилиндрическими поверхностями, введенными в каналы контактирующими с их стенками, причем каждый из коллекторов имеет два продольных глухих канала, сообщенных с соответствующими кольцевыми каналами проточками, согласно изобретению все трубы, кроме наружной, выполнены в виде свитой в пространственную спираль ленты с наружными бортами, жестко соединенными в смежных витках, наружными поверхностями с образованием спиральных выступов, контактирующих вершинами с внутренней поверхностью соседней трубы.

Выполнение всех труб, кроме наружной, в виде свитой в пространственную спираль ленты с наружными бортами, жестко соединенными в смежных витках наружными поверхностями с образованием спиральных выступов, контактирующих вершинами с внутренней поверхностью соседней трубы приводит к
уменьшению массы теплообменника при уменьшении массы труб за счет уменьшения толщины стенок труб при применении спиральных бортов при сохранении устойчивости труб к нагрузкам от наружного давления, кроме этого такая конструкция внутренних труб приводит к уменьшению габаритов теплообменника;
упрощение технологии изготовления теплообменника.

Обязательным условием является выполнение всех внутренних труб (не менее двух при изготовлении теплообменника из трех труб) с бортами, чтобы обеспечить эффективный теплообмен.

Возможность изготовления труб из ленты обеспечивает помимо всего прочего возможность изготовить трубы нужных, из соображений оптимизации характеристик теплообменника, диаметра и толщины, а не опираться на стандартизованную номенклатуру их размеров.

На фиг. 1 изображена схема теплообменника; на фиг. 2 узел I на фиг. 1; на фиг. 3 разрез А-А на фиг. 2; на фиг. 4 разрез Б-Б на фиг. 3; на фиг. 5 труба с бортами; на фиг. 6 разрез В-В на фиг. 3.

Теплообменник содержит пакет по крайней мере из трех цилиндрических труб 1, например, из нержавеющей стали, расположенных соосно с образованием кольцевых каналов 2 и двух установленных навстречу друг другу торцевых коллекторов 3 и 4, например, из нержавеющей стали, с наружными соосными ступенчатыми цилиндрическими поверхностями 5, введенными в кольцевые каналы 2 и контактирующими со стенками цилиндрических труб 1.

Каждый из торцевых коллекторов 3 и 4 имеет два продольных глухих канала 6 и 7, сообщенных с соответствующими кольцевыми каналами 2 проточками 8. Скрепление торцевых коллекторов 3 и 4 и цилиндрических труб 1 в пакет может быть осуществлено, например, с помощью центральной штанги 9 с резьбами на концах и гайками 10. Центральная штанга 9 имеет тепловой компенсатор 11 выполненный, например, в виде пружины.

Все цилиндрические трубы 1, кроме наружной, выполнены в виде свитой в пространственную спираль ленты 12 с наружными бортами 13 по обеим боковым сторонам жестко соединенными в смежных витках наружными поверхностями 14, например, сваркой, с образованием спиральных выступов, контактирующих вершинами с внутренней поверхностью соседней цилиндрической трубы 1.

Каждая цилиндрическая труба 1 уплотняется с обоих концов на ступенчатых цилиндрических поверхностях 5 парными кольцевыми резиновыми прокладками 15 круглого сечения, установленными в канавках 16.

В торцевых коллекторах 3 и 4 между каждой парой канавок 16 выполнены кольцевые проточки 17, соединенные отверстиями 18 с коллектором 19 и предназначенные для контроля утечек через прокладки 15 и обеспечивающие полную взаимную герметичность соседних кольцевых каналов 2.

Число кольцевых каналов 2 можно варьировать для различных теплообменников. Для большей эффективности теплопередачи рекомендуется выбирать общее число кольцевых каналов 2 нечетным, чтобы нагреваемая (охлаждаемая) среда текла по четным каналам и всегда смывалась теплоносителем с двух сторон.

Теплообменник работает следующим образом.

Через глухие каналы 6 и 7 торцевого коллектора 3 подается соответственно охлаждаемая и охлаждающая жидкости. Далее по проточкам 8 охлаждаемая и охлаждающая жидкости поступают в кольцевые каналы 2 и протекают между спиральными выступами так, что охлаждаемая жидкость протекает между двумя кольцевыми каналами 2 с охлаждающей жидкостью. После охлаждения и подогрева жидкости поступают соответственно в каналы 6 и 7 торцевого коллектора 4 и далее к потребителю.

Выполнение всех цилиндрических труб 1, кроме наружной, в виде свитой в пространственную спираль ленты 12 с наружными бортами 13, жестко соединенными в смежных витках наружными поверхностями 14 с образованием спиральных выступов, контактирующих вершинами с внутренней поверхностью соседней цилиндрической трубы 1, создает устойчивость цилиндрических труб 1 при повышении наружного давления и позволяет снизить толщину стенок цилиндрических труб 1, улучшить турбулизацию потоков жидкостей за счет чего интенсифицируется процесс теплообмена.

Кроме того, одновременно упрощается технология изготовления теплообменника за счет изготовления цилиндрических труб 1 в виде свитой в пространственную спираль ленты 12 с одновременным изготовлением наружных бортов 13, жестко соединенных в смежных витках наружными поверхностями 14 с образованием спиральных выступов.

Угол закрутки свитой в пространственную спиральной ленты 12 определяется из условия обеспечения максимального теплосъема при заданном гидравлическом сопротивлении кольцевых каналов 2.

В случае утечки жидкости через прокладки 15 она поступает через кольцевые проточки 17, отверстия 18 в коллектор 19, что позволяет контролировать утечки через прокладки 15 и обеспечивает полную взаимную герметичность соседних кольцевых каналов 2.

Тепловой компенсатор 11 позволяет компенсировать температурные продольные деформации труб 1 путем деформации пружины.

Разработан и испытан теплообменник для охлаждения дрожжевой культуральной среды.

Число труб 6; число кольцевых каналов 5; средняя длина труб 2 м; наружные диаметры труб d_н 0,062 м; 0,072 м; 0,082 м; 0,092 м; 0,102 м; угол закрутки свитой в пространственную спираль ленты 60^о; толщина ленты 0,001 м.

Дрожжевая культуральная среда охлаждалась с 30^оС до 27^оС водой с начальной температурой 10^оС.

Масса разработанного теплообменника m 35 кг, в то время как масса теплообменника с гофрированными трубами аналогичных параметров составляет m 52 кг.

Использование: в теплотехнике. Сущность изобретения: пакет теплообменника содержит соосно установленные с образованием кольцевых каналов трубы и два коллектора с глухими продольными каналами. Каналы коллекторов сообщены с кольцевыми каналами проточками. Трубы образованы свитыми в пространственную спираль лентами с наружными бортами. Наружные поверхности бортов в соседних витках жестко скреплены между собой с образованием спиральных выступов. Выступы вершинами контактируют с внутренней поверхностью соседней трубы. 6 ил.

ТЕПЛООБМЕННИК, содержащий пакет по крайней мере из трех цилиндрических труб, расположенных соосно с образованием кольцевых каналов, и двух установленных навстречу друг другу кольцевых коллекторов с наружными соосными ступенчатыми цилиндрическими поверхностями, введенными в каналы и контактирующими с их стенками, причем каждый из коллекторов имеет два продольных глухих канала, сообщенных с соответствующими кольцевыми каналами проточками, отличающийся тем, что что все трубы, кроме наружной, выполнены в виде свитой в пространственную спираль ленты с наружными бортами, жестко соединенными в смежных витках наружными поверхностями с образованием спиральных выступов, контактирующих вершинами с внутренней поверхностью соседней трубы.