АППАРАТ ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК F28D1/04 

Изобретение относится к теплообменным аппаратам, в которых обменивающиеся теплом среды, одна из которых воздух, разделены теплопередающей перегородкой, и может быть использовано в газоперерабатывающей, химической, нефтехимической, энергетической и других областях промышленности, в частности в качестве теплообменных аппаратов газокомпрессорных станций холодильных установок, котельных, газофракционирующих установок и т.д.

Известны аппараты воздушного охлаждения (АВО) горизонтального типа (например, ТУ 26-02-1089-88), содержащие расположенные горизонтально секции теплообменных труб, закрепленные в трубных решетках, с камерами подвода - отвода теплоносителя и вентиляторы с приводом для подачи воздуха между трубками секций.

Известны также АВО зигзагообразные (например, ТУ 26-02-1043-87), где секции теплообменных труб соединены под углом друг относительно друга.

Основной недостаток таких аппаратов большие габариты, вес, занимаемая площадь, необходимость громоздкой и металлоемкой опорной конструкции. При зигзагообразном расположении секций занимается аппаратом площадь снижается на 30% однако габариты и вес опорной конструкции остаются без изменений.

При размещении вентиляторов под теплообменными секциями секции должны быть подняты на значительную высоту, что дополнительно увеличивают габариты и вес опорной конструкции. В случае размещения большого количества вентиляторов (для обеспечения равномерной подачи воздуха к теплообменным секциям) усложняется опорная конструкция вентиляторов и система электроснабжения и управления вентиляторов.

Кроме того, при горизонтальном расположении трубок в случае выпадения в трубках конденсата из газообразного продукта сконденсировавшийся продукт затопляет донную поверхность трубок, и треть поверхности теплообменных трубок исключается из процесса теплообмена, что снижает эффективность работы аппарата.

Недостатком горизонтальных и зигзагообразных АВО является то, что в летнее время наружные верхние трубы подвержены нагреву из-за солнечной редакции, что снижает эффективность охлаждения продукта.

Кроме того, из-за регулирования количества и температуры воздуха, подаваемого вентиляторами для охлаждения продукта в теплообменных секциях, в зимнее время прокачивание большого количества холодного воздуха вызывает переохлаждение ряда теплообменных труб и замерзание в них продукта, что приводит к уменьшению рабочей площади аппарата, снижению эффективности его работы, а также может вызвать разрушение трубок, что снижает надежность аппарата.

Кроме того, ремонт секций аппарата представляет собой достаточно сложную и трудоемкую операцию с привлечением грузоподъемных механизмов.

Известны также малопоточные АВО вертикального типа (например, ОСТ 26-02-2018-77), состоящие из секций теплообменных труб, диффузоров, вентиляторов с приводами и опор. Такой тип АВО является наиболее близким к заявляемому и выбран в качестве прототипа. Общим с заявляемым техническим решением в известном аппарате воздушного охлаждения является наличие вертикально установленных секций теплообменных труб, закрепленных в трубных решетках, с камерами подвода-отвода теплоносителя, вентиляторов и опорной конструкции.

Недостатком прототипа является ограничение производительности АВО по теплоносителю, т.к. вертикальные секции представляют собой неустойчивую конструкцию и высота секций ограничена. Для увеличения производительности такого аппарата необходима установка большого ряда секций, что приведет к увеличению занимаемой площади, поэтому известные АВО вертикального типа являются малопоточными.

Кроме того, такая конструкция АВО требует материалоемкой опорной конструкции для удержания веса секций и обеспечения устойчивости с учетом естественных ветровых нагрузок и от вентиляторов.

Также такой конструкции АВО присущи практически те же недостатки, которые характерны для АВО горизонтального или зигзагообразного типа: снижение эффективности и надежности аппарата в зимнее время из-за переохлаждения теплообменных трубок, трудность ремонта.

Изобретение позволяет снизить габариты аппарата и вес его опорной конструкции, повысить его производительность при обеспечении эффективной работы и уменьшении занимаемой площади, повысить надежность работы, упростить обслуживание при ремонте секций, а также расширить эксплуатационные возможности аппарата за счет регулирования технологических характеристик нагнетаемого воздуха путем создания многоходовости.

Это достигается тем, что в аппарате воздушного охлаждения, содержащем установленные вертикально секции теплообменных труб, закрепленных в трубных решетках, с камерами подвода-отвода теплоносителя, вентиляторы и опорную конструкцию, каждая секция теплообменных труб жестко соединена, по крайней мере, с двумя другими секциями.

Секции теплообменных труб могут быть соединены между собой таким образом, что образуют прямоугольную призму, основанием которой является многоугольник, образованный трубными решетками, а ребрами соединения секций теплообменных труб.

При этом основанием призмы может быть, в одном случае, правильный выпуклый многоугольник, а в другом случае, многоугольник звездообразной конфигурации.

Предусмотрен вариант исполнения, когда каждая секция теплообменных труб одной стороной соединена со всеми остальными по линии центральной оси аппарата, а вентиляторы размещены в экранах, установленных между внешними сторонами смежных секций теплообменных труб, причем количество секций в аппарате четное, и они соединены между собой попарно посредством экранов, при этом каждые две секции образуют самостоятельную пару.

Кроме того, каждая секция теплообменных труб размещена в раме, имеющей форму прямоугольного параллелепипеда, в которой на пружинах прикреплены торцы секций теплообменных труб.

Кроме того, основание каждой рамы шарнирно закреплено на опорной конструкции или фундаменте аппарата.

В случае, когда секции теплообменных труб соединены таким образом, что образуют прямоугольную призму, по высоте аппарата в его поперечном сечении могут быть установлены одна или несколько перегородок с вентилятором, при этом над каждой из них расположена сплошная перегородка, причем все перегородки выполнены примыкающими к секции теплообменных труб.

При звездообразной конфигурации основания призмы между внешними ребрами призмы установлены жалюзи.

В случае, когда в аппарате каждая секция теплообменных труб соединена со всеми остальными по линии центральной оси аппарата, а вентиляторы размещены в экранах, установленных между внешними смежными сторонами секций по высоте аппарата в его поперечном сечении могут быть установлены перегородки, примыкающие к секциям теплообменных труб.

Кроме того, между экранами установлены жалюзи, примыкающие к внешним сторонам теплообменных секций.

Кроме того, в случае соединения секций теплообменных труб с образованием прямоугольной призмы, основанием которой служит многоугольник звездообразной конфигурации, вентиляторы размещены в экранах, соединяющих внешние ребра призмы.

Кроме того, секции теплообменных труб выполнены в виде нескольких самостоятельных секций по высоте аппарата, длина которых соответствует расстоянию между размещенными в поперечном сечении перегородками.

Жесткое соединение каждой секции теплообменных труб по крайней мере с двумя секциями, при вертикальном расположении секций в аппарате способствует компактности аппарата, уменьшению числа опор и веса опорной конструкции при одновременном увеличении производительности аппарата. Этот достигается за счет того, что сами секции теплообменных труб обеспечивает жесткость конструкции за счет взаимного расположения и за счет того, что они сами и равны, в которых закреплены секции, выполняют функции опор. Увеличение производительности по теплоносителю происходит за счет увеличения высоты теплообменных секций.

При этом в случае, когда секции теплообменных труб соединены так, что образуют прямоугольную призму, основанием которой является многоугольник, образованный трубными решетками, а ребрами соединения секций теплообменных труб (каждая секция с двух сторон жестко соединена с соседними секциями), образованная призма как правильная, так и с основанием звездообразной конфигурации сама по себе представляет достаточно жесткую и устойчивую конструкцию.

В случае, когда каждая секция теплообменных труб одной стороной соединена со всеми остальными по линии центральной оси аппарата, а вентиляторы размещены в экранах, установленных между внешними сторонами секций теплообменных труб, теплообменные секции и рамы, в которых они закреплены играют роль опор, и конструкция аппарата является жесткой и устойчивой. Наличие экранов, установленных между секциями, придает дополнительную жесткость и устойчивость аппарату.

Вертикальное расположение секций и их взаимоположение по замкнутому многоугольнику позволяет секциям взаимно затенять друг друга и уменьшать вредное воздействие радиации.

Также вертикальное расположение секций теплообменных труб и жесткое соединение каждой секции по крайней мере с двумя другими секциями аппарата благодаря компактности и устойчивости получаемой конструкции дает возможность увеличить поверхность теплоносителя за счет увеличения количества теплообменных секций и их габаритов, в частности их высоты, что позволяет повысить производительность аппарата. При этом эффективная работа обеспечивается подачей охлаждающего воздуха вентилятором, расположенным в нижней части аппарата в центре, а также другими вентиляторами, расположенными по высоте аппарата на перегородках, параллельных основанию призмы. При звездообразной конфигурации основаниями призмы, а также в случае, когда все секции теплообменного аппарата соединены между собой по его центральной оси, нагнетание воздуха может осуществляться вентиляторами, размещенными в экранах, установленных между внешними смежными сторонами секций теплообменных труб. Размещение вентиляторов по высоте аппарата позволяет добиться равномерности распределения охлаждающего воздуха по высоте теплообменных труб.

Наличие дополнительных вентиляторов по высоте аппарата в поперечных перегородках, а также в вертикальных экранах позволяет увеличить количество перекачиваемого воздуха через секции, что особенно важно летом, и повысить эффективность работы АВО.

Расположенный по высоте аппарата в его поперечном сечении сплошные перегородки позволяют организовать поперечное направление движения охлаждающего воздуха относительно теплообменных трубок, а также создать условия для равномерного распределения воздуха по высоте аппарата, что улучшает условия теплообмена и повышает его эффективность. Кроме того, наличие герметично прилегающих к секции перегородок придает конструкции аппарата дополнительную жесткость.

Наличие вентиляторов, установленных в перегородках, сплошных перегородок над ними, жалюзей создает условия для организации многоходовости по ходу воздуха, что позволяет предотвратить чрезмерное переохлаждение и промерзание теплообменных трубок в зимнее время и тем самым повысить надежность аппарата за счет возможности регулирования температуры воздуха, нагнетаемого к части секций теплообменных труб с уже пониженной температурой теплоносителя. Это достигается за счет нагнетания уже нагретого воздуха повторно в следующие части аппарата на вход очередного вентилятора при полностью или частично закрытых жалюзи.

Наличие вентиляторов в экранах, установленные между внешними смежными сторонами секций, в случае соединения всех секций одной стороной по линии центральной оси аппарата, в сочетании с поперечными перегородками, примыкающими к секциям теплообменных труб, и с жалюзями, установленными между экранами и соединяющими их по внешним сторонам секции теплообменных труб также служит для создания многоходовости по воздуху, что повышает надежность и эффективность работы аппарата.

Размещение каждой секции теплообменных труб в раме, имеющей форму прямоугольного параллелепипеда, к которой на пружинах прикреплены трубные решетки, позволяет исключить механические направления в местах крепления труб за счет компенсации линейных расширений трубок при колебаниях тепловой нагрузки и расхода воздуха через секцию, что повышает надежность АВО.

Шарнирное закрепление каждой рамы на опорной конструкции или фундаменте аппарата позволяет при демонтаже опускать ремонтируемую секцию, вращая ее на шарнире без использования грузоподъемных кранов, что упрощает ремонт секций.

Возможность установки поперечных перегородок, размещение в них вентиляторов, использование экранов с вентиляторами, применение жалюзей в комплексе позволяет получить аппарат многовариантной конструкции.

В зависимости от технологических требований, исходных характеристик теплоносителей, времени года и других условий возможна компановка различных вариантов аппарата из набора необходимых для конкретного случая элементов.

Выполнение секций теплообменных труб из нескольких секций по высоте аппарата, длина которых соответствует расстоянию между размещенными в поперечном сечении перегородками дает возможность создать практически изолированные друг от друга (посредством перегородок и камер подвода отвода теплоносителя) частей по высоте аппарата и исключить переток воздуха вдоль теплообменных трубок из одной части в другую, что обеспечивает надежность в регулировании перетока воздуха из одного хода в другой.

На фигурах схематично представлены различные варианты конструктивного выполнения аппарата: на фиг. 1 согласно п.п. 1, 2, 4, 8 формулы; на фиг. 2 - согласно п.п. 1, 2, 5, 8, 10 формулы; на фиг. 3 согласно п.п. 1, 2, 5, 9, 11 формулы; на фиг. 4 согласно п.п. 1, 3, 9, 12 формулы.

Аппарат воздушного охлаждения содержит установленные вертикально секции 1 теплообменных труб, закрепленных в трубных решетках 2, с камерами 3 подвода-отвода теплоносителя. При этом каждая секция теплообменных труб размещена в раме 4, имеющей форму прямоугольного параллелепипеда, к которой на пружинах 5 прикреплены торцы секций теплообменных труб. Основание каждой рамы закреплено на опорной конструкции 6 или на фундаменте посредством шарниров 7. Каждая секция теплообменных труб жестко соединена по крайней мере с двумя другими секциями. При этом возможны различные варианты такого соединения. Так, секции 1 могут быть соединены между собой таким образом, что образуют прямоугольную призму, основанием которой является правильный выпуклый многоугольник, образованный трубными решетками, а ребрами соединения секций теплообменных труб (фиг. 1). Основанием призмы также может быть многоугольник звездообразной конфигурации (фиг. 2, фиг. 3). Секции теплообменных труб могут быть соединены так, что каждая секция одной стороной соединена со всеми остальными по линии центральной оси аппарата (фиг. 4).

В АВО, когда секции 1 соединены с образованием призмы (фиг. 1, фиг. 2) и по высоте в поперечном сечении установлены одна или несколько перегородок 8, примыкающих к секциям теплообменных труб. В каждой второй перегородке установлен вентилятор 9, при этом над перегородкой с вентилятором на расстоянии эффективной работы последнего установлена сплошная перегородка. Над сплошной перегородкой на расстоянии эффективной работы вентилятора установлена перегородка с вентилятором и т.д.

При звездообразной конфигурации основания призмы (фиг. 2) между внешними ребрами призмы установлены жалюзи 10. В случае выполнения А О в виде правильной прямоугольной призмы (фиг. 1)) секции 1 также могут быть снабжены жалюзи.

При звездообразной конфигурации основания призмы возможен другой вариант расположения вентиляторов, а именно вентиляторы 9 размещены в экранах 11, соединяющих внешние ребра призмы (фиг. 3). При этом между вентиляторами по высоте аппарата установлены поперечные перегородки 12, расположенные в пространстве между внешними сторонами смежных секций 1 теплообменных труб и экраном 11. Экраны 11 снабжены установленными параллельно им жалюзи 10.

При варианте соединения секций теплообменных труб так, что, каждая секция одной стороной соединена со всеми остальными по линии центральной оси аппарата (фиг. 4), вентиляторы 9 размещены в экранах 11, установленных между внешними смежными сторонами секций теплообменных труб, при этом количество секций в аппарате четное, и они соединены между собой попарно посредством экранов 11 или жалюзей 10. Чередующиеся жалюзи и экраны, соединяющие внешние стороны секций 1, служат сторонами полученного прямоугольного параллелепипеда. При таком варианте конструкции между вентиляторами 9, размещенными по высоте секций 1, в поперечном сечении аппарата размещены перегородками 12, примыкающие к теплообменным секциям и к экранам 11 жалюзи 10. Кроме того, параллельно экранам 11 могут быть также установлены жалюзи.

Кроме того, при любом варианте конструкции секции теплообменных труб могут быть выполнены состоящими из нескольких секций по высоте аппарата, длина которых соответствует расстоянию между поперечными перегородками 8 (фиг. 1, фиг. 2) или перегородками 12 (фиг. 3, фиг. 4).

АВО работает следующим образом. Охлаждаемый продукт подается через камеры 3 подвода отвода теплоносителя в трубки секций 1 и охлаждается воздухом, подаваемым вентиляторами 9, при прохождении по трубкам.

Рассмотрим случай, когда вентиляторы установлены в поперечных перегородках 8, а перегородки с вентилятором чередуются со сплошными перегородками по высоте АВО (фиг. 1, фиг. 2). Нагнетаемый воздух имеет преимущественно направление, перпендикулярное трубкам с охлаждаемым продуктом, в частности благодаря тому, что встречая на своем пути сплошную перегородку, он растекается вдоль нее и омывает поверхность трубок. В случае, когда секции 1 теплообменных трубок состоят по высоте из нескольких секций, камеры подвода-отвода теплоносителя служат одновременно продолжением перегородок 8, что исключает переток воздуха вдоль трубок в следующую часть аппарата. Таким образом обеспечивается эффективное охлаждение теплообменных трубок по высоте аппарата по частям, ограниченным перегородками 8. При наличии жалюзи 10 в зимнее время для предотвращения чрезмерного переохлаждения теплообменных трубок прикрытием жалюзей можно регулировать количество подсасываемого вентиляторами воздуха. При этом организуется многоходовость: часть несколько нагретого воздуха, выходящего наружу из нижней части аппарата после обдува трубок, будет перетекать на всасывание в следующую по высоте часть АВО и, смешиваясь с воздухом, засасываемым извне через приоткрытие жалюзи, увеличивает температуру подаваемого на охлаждения воздуха. Таким образом, температура и количество охлаждающего воздуха может регулироваться степенью открытия жалюзи.

В случае, когда секции 1 теплообменных труб соединены по линии центральной оси аппарата, а вентиляторы 9 размещены в вертикальных экранах 11, (фиг. 4), воздух захватывается вентиляторами и нагнетается в межтрубное пространство теплообменных труб смежных секций 1, образующих пару, между которыми и установлены вентиляторы. Воздух уходит из аппарата через пространство, заключенное между секциями следующей пары, т.к. между секциями этой следующей пары нет экранов (экраны установлены между парами секций, не смежных с другими такими парами). Благодаря поперечными перегородками 12 достигается равномерный и эффективный обдув теплообменных труб. При наличии жалюзей и перегородок 12 может быть организована многоходовость воздуха: когда жалюзи 10 приоткрыты, а вентиляторы 9 по высоте аппарата работают на всасывание в противоположных направлениях (нижний на всасывание, следующий - на нагнетание, следующий на всасывание и т.д.), то воздух, пройдя один раз через секцию теплообменных труб, засасывается следующим по высоте вентилятором и снова подается для охлаждения следующей части трубок. Такой вариант может использоваться в зимнее время во избежание переохлаждения трубок.

При звездообразной конфигурации основания призмы и расположении вентиляторов в вертикальных экранах (фиг. 3) воздух засасывается вентиляторами извне и выходит через внутреннее пространство призмы, заключенное между секциями, при наличии перегородок 12 и включении вентиляторов по высоте А О поочередно на всасывание и нагнетание и наличии параллельных экранам 11 жалюзи 10, также может быть организована многоходовость воздуха в зимнее время.

Во всех описанных случаях посредством жалюзей можно регулировать температуру и количество подаваемого для охлаждения теплоносителя воздуха.

Использование: изобретение относится к области энергетики, в частности к теплообменным аппаратам. Сущность: аппарат воздушного охлаждения содержит установленные вертикально секции теплообменных труб, закрепленных в трубных решетках, с камерами подвода-отвода теплоносителя, вентиляторы и опорную конструкцию. Каждая секция теплообменных труб жестко соединена по крайней мере с двумя секциями. 12 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Аппарат воздушного охлаждения, содержащий установленные вертикально секции теплообменных труб, закрепленных в трубных решетках, с камерами подвода-отвода теплоносителя, вентиляторы и опорную конструкцию, отличающийся тем, что каждая секция теплообменных труб жестко соединена по крайней мере с двумя другими секциями. 2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что секции теплообменных труб соединены между собой таким образом, что образуют прямоугольную призму, основанием которой является многоугольник, образованный трубными решетками, а ребрами соединения секций теплообменных труб. 3. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что каждая секция теплообменных труб одной стороной соединена со всеми остальными по линии центральной оси аппарата, а вентиляторы размещены в экранах, установленных между внешними сторонами смежных секций теплообменных труб, причем количество секций в аппарате четное и они соединены между собой попарно посредством экранов, при этом каждые две секции образуют самостоятельную пару. 4. Аппарат по п. 2, отличающийся тем, что основанием призмы является правильный выпуклый многоугольник. 5. Аппарат по п. 2, отличающийся тем, что основанием призмы является многоугольник звездообразной конфигурации. 6. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что каждая секция теплообменных труб размещена в раме, имеющей форму прямоугольного параллелепипеда, к которой на пружинах прикреплены торцы секций теплообменных труб. 7. Аппарат по п.6, отличающийся тем, что основание каждой рамы шарнирно закреплено на опорной конструкции или фундаменте аппарата. 8. Аппарат по п.2, отличающийся тем, что по его высоте в поперечном сечении установлены одна или несколько перегородок с вентилятором, при этом над каждой из них расположена сплошная перегородка, причем все перегородки выполнены примыкающими к секциям теплообменных труб. 9. Аппарат по пп.3 и 5, отличающийся тем, что по его высоте в поперечном сечении установлены перегородки, примыкающие к секциям теплообменных труб. 10. Аппарат по п.5, отличающийся тем, что он снабжен жалюзи, установленными между внешними ребрами призмы. 11. Аппарат по п.5, отличающийся тем, что вентиляторы размещены в экранах, соединяющих внешние ребра призмы. 12. Аппарат по п.3, отличающийся тем, что между экранами установлены жалюзи, примыкающие к внешним сторонам теплообменных секций. 13. Аппарат по пп.8 и 9, отличающийся тем, что секции теплообменных труб выполнены в виде нескольких секций по высоте аппарата, длина которых соответствует расстоянию между размещенными в поперечном сечении перегородками.