ТЕПЛООБМЕННИК Российский патент 1996 года по МПК F24H3/06 

Изобретение относится к теплообменной технике и может быть использовано для перегрева насыщенного водяного пара в зрельниках и запарных машинах красильно-отделочных производств текстильной промышленности.

В современных технологических процессах фиксации красителей на напечатанных и окрашенных тканях в зрельниках и запарных машинах используют перегретый до 300 350^oC водяной пар. Перегретый пар внутри зрельников и запарных машин получают с помощью электропароперегревателей. В частности, распространение высокоскоростной фиксации красителей на напечатанных тканях связано с созданием институтом теплофизики АН УССР нагревателя "труба в трубе" по авт. св. N 595619, кл. F 28 D 7/10,1976, представляющего собой наружную трубу со штуцерами для подвода и отвода нагревателей среды, внутри которой размещается внутренняя оребренная труба. По оси внутренней трубы, с зазором относительно внутренних стенок ее, установлен трубчатый электронагреватель.

Преимущество этого способа состоит в отсутствии необходимости уплотнять выходные концы трубчатых электронагревателей. Это достигается за счет того, что электронагреватель вставляется во внутреннюю трубу, которая герметично соединена сваркой со стенкой корпуса. С другой стороны, такое решение установки нагревателя является крупным недостатком конструкции: при работе электродвигатель перегревается ввиду высокого термического сопротивления стенок внутренней трубы и воздушной прослойки (между стенками трубы и нагревателя) и как следствие этого низкий коэффициент теплопередачи.

По этой причине электронагреватели имеют малый срок службы и от этой конструкции паронагревателей повсеместно отказались.

В настоящее время распространение получают пароперегреватели, в которых теплопередача к пару осуществляется непосредственно от электронагревателей. В этих устройствах нагреваемый агент водяной пар обтекает с определенной скоростью помещенные внутрь корпуса трубчатые электронагреватели, контактируя с их поверхностью. При этом достигаются лучшие условия теплопередачи, повышается допустимая удельная ваттная нагрузка (Вт/см²) на трубчатом электронагревателе, что увеличивает его срок службы. К такому типу нагревателей относится электрокалорифер по авт. св. N 1188483, кл. F 26 B 23/04, 1985, выбранный в качестве прототипа предлагаемого теплообменника.

Указанный электрокалорифер содержит корпус с патрубками подвода и отвода нагреваемого агента и расположенные внутри корпуса трубчатые электронагреватели. Основным недостатком подобных конструкций является недостаточно надежное уплотнение выходных концов трубчатых электронагревателей в стенках корпуса, разгерметизация и, как следствие, увлажнение, перегрев выводных концов нагревателей, нарушение изоляционных свойств герметика и наполнителя внутри нагревателей и преждевременный выход их из строя по этой причине. Поэтому указанные типы электронагревателей надежно работают, если нагреваемым газовым агентом является неконденсирующийся газ, например воздух. Для уплотнения концов трубчатых электронагревателей в основном используют фланцевые (штуцерные), сальниковые и т.п. уплотнения, предлагаемые в каталоге "Электротехника" N 12.30.09-86, которые не обеспечивают герметичности соединения при температурах нагреваемого водяного пара до 350^oC (и температуре поверхности трубчатого электронагревателя до 550^oC), при давлении до 6 кгс/см² (0,6 МПа), тем более в присутствии аэрозолей кислот, красителей, восстановителей в зрельниках и запарных машинах. В качестве уплотняющих материалов использовались свинец, стандартные асбестовые набивки типа АС, АПС, фторопластовые, комбинированные манжеты и алюминиевые кольца с асбестом. Все они не обеспечили герметизацию соединения нагревателя с корпусом. Проникающие через разгерметизированные уплотняющие средства пары нагреваемого агента перегревают и увлажняют концы электронагревателей, выделяющаяся влага проникает в наполнитель ТЭНа, нарушает электроизоляцию, выводя его из строя.

Герметичность соединения трубчатого электронагревателя с корпусом можно обеспечить специальными видами сварки, но сварное соединение является неразборным и весь узел неремонтопригодным.

Целью изобретения является повышение надежности работы и долговечности теплообменника.

Цель достигается тем, что теплообменник, содержащий теплоизолированный корпус с патрубками подачи и отвода нагреваемого агента, трубчатые электронагреватели с токоподводящими концами, выведенными в примыкающую к корпусу камеру охлаждения и закрепленными в стенках корпуса посредством штуцера, ниппеля и накидной гайки, согласно изобретению имеет установленные в штуцерах на каждом выводном конце электронагревателей между накидной гайкой и ниппелем упорные кольца, при этом ниппель выполнен в виде бочкообразной тонкостенной втулки, а контактирующие с ней поверхности штуцера и кольца выполнены конусными. Ниппель выполнен из меди, а штуцер и упорное кольцо из более твердого металла, например стали, при этом поверхности последних, контактирующие с ниппелем, имеют конусность с углом конуса соответственно 30 - 40^o у штуцера и 90 120^o у кольца.

Охлаждающая камера выполнена в виде вертикального вытяжного канала с гравитационным побуждением, образованного стенкой корпуса и герметично примыкающего к нему короба с отверстиями в верхней и нижней его частях.

Заявленная совокупность признаков соответствует критерию "существенные отличия".

Известные в технике уплотняющие средства, состоящие из ниппеля, поднимаемого в штуцере гайкой, не способны надежно герметизировать место выхода из корпуса трубчатого электронагревателя вследствие многократно повторяющегося изменения линейных размеров последнего из-за неравномерного теплового расширения в циклах работы "нагрев-охлаждение" при температуре от 20 50^oC до 500 600^oC. Введение в конструкцию нагревателя дополнительного кольца и выполнение на конус контактирующих с ниппелем поверхностей кольца и штуцера позволяет обеспечить надежную герметизацию узла без необходимости его периодического подтягивания. Новый эффект достигается благодаря тому, что при затягивании уплотнения цилиндрическая медная втулка (ниппель) запрессовывается в зазоры между ТЭНом и конусными поверхностями штуцера и кольца. При этом ввиду исключения проворачивания ниппеля при затягивании гаек благодаря выполнению на конус контактирующих с ниппелем поверхностей штуцера и кольца, равномерного распределения передаваемых усилий через кольцо на всю опорную поверхность гайки достигаются усилия, достаточные для запрессовки концов втулки в зазоры. При этом тонкостенная цилиндрическая медная втулка (ниппель) принимает непосредственно после затягивания в штуцере бочкообразную форму, которая обладает компенсирующими свойствами: снижает усилия затяжки и компенсирует возникающие вследствие температурных расширений изменения линейных размеров, т.е. температурные деформации трубчатых нагревателей. Этому же способствуют вентилирование (охлаждение), снижение абсолютного размаха изменения температуры выходящих концов нагревателей в вытяжном вентиляционном канале.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен теплообменник; на фиг.2 установка трубчатого нагревателя в корпусе; на фиг.3 вариант установки нагревателей в корпусе.

Теплообменник содержит покрытый теплоизоляционный стальной корпус 1, имеющий приварные патрубки 2 и 3 соответственно для подачи и выхода нагреваемого агента, например водяного пара. С помощью указанных патрубков 2 и 3 нагреватели могут соединяться последовательно друг за другом, т.е. теплообменник может состоять из нескольких последовательно соединенных корпусов для улучшения обдува электронагревателей нагреваемым агентом и увеличения его мощности. На прикрепленной к корпусу 1 через герметизирующую прокладку 4 в стенке 5 закреплены установленные в штуцерах 6 трубчатые электронагреватели 7 (ТЭНы), токоподводящие концы 8 которых выведены в охлаждающую камеру 9, примыкающую к корпусу 1. Последняя представляет собой вытяжной вентиляционный канал, образованный наружной стороной стенки 5 корпуса 1 и примыкающим к корпусу коробом 10 со щелевидными отверстиями 11 и 12 для прохода воздуха. Уплотнение в штуцерах 6 каждого из выходящих концов 8 трубчатых электронагревателей 7 обеспечивается посредством тонкостенного медного ниппеля 13, который запрессовывается с помощью упорного металлического кольца 14, путем затягивания его гайкой 15 в зазор между ТЭНом 7 и поверхностью штуцера 6, а также в зазор между ТЭНом 7 и упорным кольцом 14.

Контактирующие с ниппелем 13 поверхности штуцера 6 и упорного кольца 14 выполнены на конус с углом конуса соответственно α₁= 30-40^° у штуцера и α₂= 90-120^° у упорного кольца. При сборке теплообменника ТЭН 7 вставляется выводными концами в штуцер 6. На концы 8 ТЭНа надевается ниппель 13. Одним из отличительных признаков предлагаемой конструкции является то, что перед сборкой и запрессовкой ниппель 13 представляет собой тонкостенную цилиндрическую медную втулку (с толщиной стенки S=1-2,5 мм). Далее на штуцер 6 навинчивается гайка 15, внутрь которой предварительно вставляется упорное кольцо 14. Перед сборкой поверхности деталей смазываются смазкой для снижения необходимых усилий запрессовки и затяжки соединений. В процессе затягивания гайкой 15 втулка 13 запрессовывается в зазоры между ТЭНом 7, штуцером 6 и упорным кольцом 14. При этом благодаря тому что угол конуса на штуцере 6 значительно меньше, чем у упорного кольца 14 α₁≪ α₂, втулка 13 в основном запрессовывается в зазор между ТЭНом 7 и штуцером 6, уплотняя соединение. Благодаря тому что цилиндрическая тонкостенная втулка 13 запрессовывается двумя конусными поверхностями, она при запрессовке равномерно деформируется, принимая бочкообразную форму при завертывании гайки 15 до отказа. При этом облегчаются и регулируются усилия запрессовки, когда гайка завертывается до конца. Теплообменник работает следующим образом.

Нагреваемый агент, например насыщенный водяной пар, подается через патрубок 2 в корпус 1 теплообменника, в котором, проходя и контактируя с нагретой до 500^oC поверхностью ТЭНом 7, перегревается. Нагретый агент выходит из патрубка 3. Выходные концы 8 ТЭНов 7 в камере 9 в процессе работы охлаждаются восходящим потоком воздуха из помещения за счет гравитационного побуждения, основанного на разнице удельных весов поступающего снизу через щель 11 холодного и теплого, выходящего из верхней щели 12, воздуха. Благодаря охлаждению концов 8 ТЭНов 7 и надежной их герметизации в штуцерах 6 исключается возможность перегрева концов 8 электронагревателя 7, обеспечивается сохранность герметика и наполнителя самого ТЭНа. Надежность же уплотнения достигается путем надежной запрессовки тонкостенной втулки 13 в зазор между ТЭНом 7 и штуцером 6. Угол конуса α₁ должен составлять 30 - 40^o, исходя из величины диаметра выпускаемых промышленностью трубчатых электронагревателей (не более 13 мм). При уменьшении угла конуса α₁<30^° возникают трудности с разборкой узла при замене ТЭНа, т.е. вышедший из строя ТЭН не запрессовывается. При увеличении α₁>40^° увеличиваются усилия запрессовки, неравномерно деформируется медная втулка 13. При увеличении α₂≫120^° наблюдается ухудшение обжимания медной втулки 13 снаружи упорным кольцом 14. При уменьшении α₂<90^° втулка 13 зажимается (запрессовывается) в зазор между упорным кольцом и ТЭНом, что создает вероятность (случаи) неравномерной ее деформации и нарушает ее геометрическую (бочкообразную) форму, т.е. возникает явление "скручивания" втулки. Возможность "скручивания" втулки 13 предотвращается также благодаря ее правильной деформации в бочкообразную форму при увеличении усилия затяжки и запрессовки.

Совокупность использованных в новом устройстве признаков позволяет по сравнению с прототипом использовать новое техническое решение для эффективного перегрева насыщенного водяного пара при давлении нагреваемой среды до 0,6 0,80 МПа (6 8 кгс/см²) и при температуре перегрева до 350 - 380^oC, т.е. близкой к температуре поверхности (ТЭНа до 500^oC), с возможностью ремонта и замены исчерпавших ресурс работы трубчатых электронагревателей, т.е. с обеспечением ремонтопригодности.

Известные электрические нагреватели не обеспечивают требуемой надежности работы при работе на насыщенном и перегретом паре под избыточным давлением из-за недостаточной герметичности и перегрева выходных концов ТЭНов. ЫЫЫ2

Использование: для перегрева насыщенного пара в теплообменниках. Сущность изобретения: теплообменник содержит теплоизолированный корпус с патрубками подачи и отвода нагреваемого агента, в котором размещены трубчатые электронагревательные элементы с токоподводящими концами 8, выведенными в примыкающую к корпусу камеру охлаждения. Выводные концы 8 электронагревателей закреплены в стенках 5 корпуса посредством штуцера 6, ниппеля 13 и накидной гайки 15. На каждом выводном конце 8 электронагревателя между накидной гайкой 15 и ниппелем 13 установлено упорное кольцо 14, а ниппель 13 выполнен в виде бочкообразной тонкостенной втулки. Контактирующие с ней поверхности штуцера 6 и кольца 14 выполнены конусными. Ниппель 13 выполнен из меди, а штуцер 6 и упорное кольцо 14 - из более твердого металла, например стали, при этом поверхности последних, контактирующие с ниппелем 13, имеют конусность с углом конуса соответственно 30 - 40 град. у штуцера 6 и 90 - 120 град. у кольца 14. Камера охлаждения выполнена в виде вертикального вытяжного канала с гравитационным побуждением, образованного стенкой 5 корпуса и герметично примыкающего к нему короба с отверстиями в верхней и нижней его частях. 2 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Теплообменник, содержащий теплоизолированный корпус с патрубками подачи и отвода нагреваемого агента, трубчатые электронагреватели с токоподводящими концами, выведенными в примыкающую к корпусу камеру охлаждения и закрепленными каждый в стенке корпуса посредством штуцера, ниппеля и накидной гайки, отличающийся тем, что он дополнительно содержит упорные кольца, установленные каждое в штуцере токоподводящего конца между накидной гайкой и ниппелем, при этом последний выполнен в виде бочкообразной тонкостенной втулки, а контактирующие с ней поверхности штуцера и кольца выполнены конусными. 2. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что ниппель выполнен из меди, а штуцер и упорное кольцо из более твердого материала, например стали, при этом конусность контактирующих с ниппелем поверхностей штуцера и кольца составляет соответственно 30 40° и 90 120°. 3. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что камера охлаждения выполнена в виде короба с отверстиями в верхней и нижней его частях, герметично примыкающего к соответствующей стенке корпуса с образованием вертикального вытяжного канала.