ТЕПЛООБМЕННИК Российский патент 1997 года по МПК F28D1/47 F28D7/08 F28B1/02 

Изобретение относится к теплообменным устройствам, используемым в мембранной технике для термостатирования обрабатываемых сред и продуктов мембранного разделения и в аппаратах спиртового производства для проведения процессов конденсации в системах, содержащих газы.

Известен спиральный теплообменник, содержащий поярусно размещенные секции цилиндрических трубчатых спиралей, подключенных к раздающим и собирающим коллекторам, смежные витки спиралей каждой секции расположены с зазором друг к другу, причем входные и выходные участки спиралей размещены между витками последних, огибая их с внутренней и наружной стороны. (См. например, авт.св. СССР N 1758380, кл. 5F 28D 1/047,F 28F 21/06).

Недостатками такого устройства и вообще спиральных теплообменников являются:
повышенная материалоемкость из-за недостаточной эффективности теплообмена: участки внешней поверхности спирального теплообменника, находящиеся в межвитковом пространстве и в верхней части теплообменника из-за меньшего перепада температур при взаимодействии со средой обеспечивают меньшую теплоотдачу:
сложность очистки поверхности от загрязняющих веществ и отложений обусловлена конфигурацией теплообменника, а также наличием устройств для фиксации участков спирали в теплообменнике:накладок, стяжек и т.п.

повышенная материалоемкость, а следовательно повышенные трудоемкость изготовления и стоимость.

Недостатки описанного выше теплообменника частично устранены в теплообменнике,содержащем пластины с трубчатыми каналами для прохода одной из сред, свернутые в спираль с образованием щелевах каналов для другой среды, причем каждая пластина состоит из плоских участков, расположенных по отношению к соседнему под углом (см.например, авт.св. СССР N 504917, кл. 2F28 D9/04).

Такое устройство позволяет использовать вместо цельнотянутых труб листовой материал, повысить эффективность теплообмена, однако ему присущи следующие недостатки:
недостаточная эффективность теплообмена при разогреве в статике и при охлаждении, поскольку такое устройство может работать только при принудительной циркуляции среды:
сложность очистки греющих поверхностей от загрязнений и отложений из-за плохого доступа к ним.

По совокупности общих признаков в качестве прототипа выбрано устройство по авторскому свидетельству СССР N 504917).

Задачей предлагаемого изобретения является снижение материалоемкости, упрощение обслуживания и снижение трудоемкости изготовления.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в теплообменнике, содержащем корпус, выполненный из пластин с трубчатыми каналами в виде зигов для прохода одной из сред, соединенными с проводящими и отводящими патрубками, пластины изогнуты с образованием цилиндрических обечаек с противонаправленными зигами и установлены одна в другой коаксиально с созданием между ними торроидальных каналов различных диаметров, снабженных поперечными перегородками, верхние и нижние кромки обечаек имеют отбортовки, а обращенные навстречу друг к другу зиги выполнены на глубину этих отбортовок и соединены между собой с образованием перемычек, между каналами выполнен соединительный патрубок, а перегородки установлены на участках между соединяющим и подводящим и отводящим патрубками, на наружной поверхности образующих каналы зигов установлены дополнительные обечайки, соединенные с ней по касательной своими верхними кромками.

Выполнение пластин изогнутыми с образованием цилиндрических обечаек с противонаправленными зигами и установленными одна в другой коаксиально с созданием между ними торроидальных каналов различных диаметров, снабженных поперечными перегородками, обеспечивает создание кольцевого теплообменника с меньшим расходом металла на единицу теплообменной поверхности. По сравнению с прототипом конструкция исключает деформацию теплообменника под действием давления без дополнительных устройств типа кронштейнов или стяжек, обеспечивающих фиксацию элементов теплообменника, кроме того, греющие поверхности легко доступны для очистки от отложений. Для выпуска такого теплообменника не требуется сложной оснастки типа штампов, что уменьшает трудоемкость и стоимость изготовления. Выполнение верхнего и нижнего образующих каналы в форме тора зигов с различными диаметрами обеспечивает придание радиальному сечению теплообменника треугольной формы, причем вершина треугольника направлена в направлении движения внешней среды: при работе теплообменника в качестве нагревателя, установленного, например в емкости обрабатываемой среды мембранной установки, теплообменник развернут в положение, при котором меньший тор находится над большим, чем достигается интенсивное омывание греющей поверхности конвективными потоками. Наличие перегородки обеспечивает организацию потоков теплоносителя в кольцевых каналах таким образом, что оба канала, несмотря на различные диаметры, характеризуются высокой теплоотдачей: при меньшем диаметре верхнего канала скорость потока, а следовательно, и теплоотдача с единицы площади выше. Таким образом достигается повышение эффективности работы теплообменника при уменьшении его материалоемкости.

Выполнение верхних и нижних кромок обечаек с отбортовками, а обращенных навстречу друг к другу зигов на глубину этих отбортовок и соединение их между собой с образованием перемычек исключает перетекание теплоносителя из верхнего кольцевого канала в нижний и обеспечивает упрощение сборки теплообменника: для этого достаточно вдвинуть в наружную обечайку внутреннюю и соединить верхние и нижние кромки сваркой.

Выполнение между каналами соединительного патрубка, и установка перегородок на участках между соединяющими, подводящим и отводящим патрубками обеспечивает наилучшую организацию потоков и следовательно, максимальное использование всей поверхности теплообмена.

Установка на наружной поверхности образующих каналы зигов дополнительных обечаек, соединенных с ней по касательной своими верхними кромками, обеспечивает работу теплообменника в режиме конденсатора за счет разрыва пленки конденсирующейся на внешней поверхности жидкости. При уменьшении средней толщины пленки улучшаются термодинамические характеристики теплообменника, повышается его производительность и снижается материалоемкость.

На фиг. 1 изображен теплообменник для подогрева жидкости (общий вид); на фиг. 2 то же (вид сверху); на фиг. 3 сечение по А-А; на фиг. 4 - теплообменник, работающий в режиме конденсатора (вид сверху); на фиг. 5 - общий вид конденсатора в разрезе; на фиг. 6 сечение по В-В и на фиг. 7 - сечение по Б-Б.

Теплообменник содержит корпус 1, состоящий из двух цилиндрических обечаек 2 и 3, причем обечайка 2 установлена внутри обечайки 3 и их верхние и нижние кромки герметично соединены между собой посредством сварки или пайки твердым припоем. Обечайки 2 и 3 снабжены зигами в форме полуторов, обращенных вогнутостью у внутренней обечайки 2 наружу, а у внешней внутрь и после сварки образующие два кольцевых канала, перекрытые поперечной перегородкой 4. Кроме того, на обечайках 2 и 3 выполнены также зиги параллельно образующей обечайки, которые после сборки образуют патрубок 5, соединяющий верхний и нижний кольцевые каналы между собой. Верхний канал снабжен патрубком 6 подачи теплоносителя, а нижний канал патрубком 7 отвода теплоносителя. Участки обечаек между верхними и нижними зигами снабжены зигами, направленными вогнутостью в противоположную по отношению к образующим каналы зигам сторону, причем глубина зигов соответствует диаметру кромок обечаек.

При работе в режиме конденсатора теплообменник устанавливается в положение, при котором сверху находится канал с большим диаметром и все каналы снабжены обращенными вниз дополнительными обечайками 8, соединенными с наружной поверхностью образующих каналы зигов по касательной.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Теплоноситель через парубок 6 подается в корпус 1, в котором он протекает первоначально по верхнему каналу между обечайками 2 и 3 до перегородки 4 с большей скоростью, затем по патрубку 5 он поступает в нижний канал, в котором уменьшение скорости компенсируется увеличением скорости греющей поверхности, и далее выводится через патрубок 7. От наружной поверхности трубы тепло отводится за счет естественной конвекции жидкости в объеме емкости исходной воды мембранной установки, на чертеже условно не показанной.

При использовании теплообменника в качестве конденсатора в каналы теплообменника подается охлаждающая жидкость, а пар поступает на внешнюю поверхность теплообменника снизу, при взаимодействии с охлаждаемыми стенками 2 и 3 он конденсируется и стекает вниз в виде пленки жидкости. Поступая на дополнительную обечайку 8, поток жидкости разрывается и по ней стекает вниз, тем самым освобождая участки наружной стенки теплообменника для взаимодействия с паровой средой.

Использование предлагаемого устройства позволяет одновременно увеличить долю контактной поверхности теплообменника, взаимодействующего с обогреваемой средой, обеспечивает лучшую организацию конвективных потоков.

Теплообменный элемент характеризуется высокой эксплуатационной ненадежностью, так как обычно работает при малых перепадах давления, а конфигурация каналов обеспечивает хорошее перемешивание теплоносителя благодаря центробежным силам и изменению направления движения его на 180^o при перетекании из верхнего канала в нижний. Поверхность его доступна для очистки в процессе эксплуатации.

Использование изобретения позволяет повысить эксплуатационную надежность, снизить материалоемкость упростить обслуживание.

Использование: изобретение относится к теплообменным устройствам, используемым в мембранной технике для термостатирования обрабатываемых сред и продуктов мембранного разделения и в аппаратах спиртового производства для проведения процессов конденсации в системах содержащих газы. Сущность: теплоноситель через патрубок 6 подается в корпус 1, в котором он протекает первоначально по верхнему каналу между обечайками 2 и 3 до перегородки 4 с большей скоростью, затем по патрубку 5 он поступает в нижний канал, в котором уменьшение скорости компенсируется увеличением скорости греющей поверхности, и далее выводится через патрубок 7. От наружной поверхности трубы тепло отводится за счет естественной конвекции жидкости в объеме емкости исходной воды мембранной установки. При использовании теплообменника в качестве конденсатора в каналы теплообменника подается охлаждающая жидкость, а пар поступает на внешнюю поверхность теплообменника снизу, при взаимодействии с охлаждаемыми стенками 2 и 3 он конденсируется и стекает вниз в виде пленки жидкости. Поступая на дополнительную обечайку, поток жидкости разрывается и по ней стекает вниз, тем самым освобождая участки наружной стенки теплообменника для взаимодействия с паровой средой. 3 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Теплообменник, содержащий корпус, выполненный из пластин с трубчатыми каналами в вида зигов для прохода одной из сред, соединенными с подводящими и отводящими патрубками, отличающийся тем, что пластины изогнуты с образованием цилиндрических обечаек с противонаправленными зигами и установлены одна в другой коаксиально с созданием между ними тороидальных каналов различных диаметров, снабженных поперечными перегородками. 2. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что верхние и нижние кромки обечаек имеют отбортовки, а обращенные навстречу друг другу зиги выполнены на глубину этих отбортовок и cоединены между собой с образованием перемычек. 3. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что между каналами выполнен соединительный патрубок, а перегородки установлены на участках между соединяющим и подводящим и отводящим патрубками. 4. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что на наружной поверхности образующих каналы зигов установлены дополнительные обечайки, соединенные с ней по касательной своими верхними кромками.