КОЖУХОТРУБНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК Российский патент 2000 года по МПК F28D7/00 

Область применения: системы централизованного и децентрализованного теплоснабжения зданий различного назначения.

Известен кожухотрубный теплообменник для системы теплоснабжения зданий, содержащий теплообменные секции с подводящими и отводящими патрубками и заключенные в кожухи пучки теплообменных труб, которые подключены к общим коллекторным камерам трубного и межтрубного пространства и скреплены между собой через трубные решетки (1).

Указанная конструкция имеет ряд недостатков, главные из которых высокая удельная металлоемкость, большие габаритные размеры в плане, требующие больших площадей для монтажа теплообменника в тепловых пунктах зданий и высокая трудоемкость изготовления и эксплуатации.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному объекту является теплообменник, содержащий коллекторные камеры трубной среды с подводящими и отводящими патрубками, состоящие из обечаек, выполненных в виде части цилиндра с фланцами, соединенными между собой через трубные решетки теплообменными секциями, состоящими из пучков теплообменных труб, заключенных в цилиндрические кожухи патрубков подвода и отвода межтрубной среды. Коллекторы для межтрубной среды, выполненные в виде окон, размещенных на наружной поверхности смежных теплообменных секций с чередованием то с одной, то с другой стороны, примыкающих к соответствующей трубной решетке и соединенных между собой каналом (2).

Однако в известном теплообменнике имеется ряд недостатков, основными из которых являются повышенная трудоемкость в изготовлении и эксплуатации.

Указанные недостатки устраняются тем, что в теплообменнике, содержащем коллекторные камеры трубной среды с подводящими и отводящими патрубками, соединенными между собой через трубные решетки теплообменными секциями, состоящими из пучков теплообменных труб, заключенных в цилиндрические кожухи, патрубков подвода и отвода межтрубной среды, коллекторы для межтрубной среды, выполненные в виде окон, размещенных на наружно поверхности смежных теплообменных секций с чередованием то с одной, то с другой стороны, примыкающих к соответствующей трубной решетке и соединенных между собой каналом, подводящие и отводящие патрубки трубной и межтрубной среды могут быть выполнены цилиндрической или цилиндро-конической формы и имеют наружные диаметры Д_п, составляющие 0,4... 1,0 наружного диаметра Д_с теплообменной секции; высота коллекторной камеры H составляет 1,01 ... 1,2 высоты блока H₀; каналы коллекторов межтрубной среды выполнены в форме полуэллипса, малая ось которого B_к равна диаметру соединяемых секций Д_с; радиусы дуг сопряжения канала с поверхностью секции R_к, центры которых совпадают с координатами центров дуг окна для прохода теплоносителя, имеют размеры, определенные соотношением
R_к = R + (б_ст + 1 мм)
где R - радиус дуг окна для прохода теплоносителя;
б_ст - толщина стенки канала;
боковая поверхность канала имеет радиус кривизны R_б, определенный соотношением
R_б = (1,2 ... 1,5) R_с
где R_с - наружный радиус соединяемых секций;
соотношение минимальной H₁ и максимальной H₂ высоты канала составляет
H₂ = (3,8 ... 6,5) H₁
где H₁ - расстояние между соединяемыми секциями.

Коллекторные камеры состоят из обечаек, выполненных в виде части цилиндра с фланцами и имеющих наружный радиус R_об, составляющий 0,8 ... 1,5 наружного радиуса R_с теплообменной секции; коллекторные камеры трубной среды выполнены прямоугольной формы с одним или несколькими ребрами жесткости во внутреннем объеме камеры; подводящие и отводящие патрубки трубной среды расположены соосно соответственно верхней и нижней теплообменным секциям, на патрубках которых расположены отборники проб воды для анализов, выполняющих функции воздухоотводчиков при заполнении теплообменника водой; длина патрубков межтрубной среды при выполнении их цилиндрической формы унифицирована; коллекторные камеры трубной среды цилиндрической и прямоугольной формы снабжены шарнирными соединениями и могут быть выполнены из отдельных частей, соединяющих по две смежные теплообменные секции, и установлены поочередно то с одной, то с другой стороны теплообменника по ходу движения трубной среды.

Устройство кожухотрубного теплообменника
На фиг. 1 показан общий вид теплообменника.

На фиг. 2 - вид сбоку.

На фиг. 3 - вид сверху.

На фиг. 4 - канал межтрубной среды, главный вид.

На фиг. 5 - канал межтрубной среды, вид сбоку.

На фиг. 6 - кожух теплообменной секции с окном для прохода теплоносителя, вид сверху.

На фиг. 7 - общий вид коллекторной камеры трубной среды прямоугольной формы, главный вид.

На фиг. 8 - общий вид коллекторной камеры трубной среды прямоугольной формы, вид сбоку.

Кожухотрубный теплообменник состоит из теплообменных секций (1) с наружным диметром Д_с, подводящих патрубков (2,3), отводящих патрубков (4,5) трубной и межтрубной среды, которые могут быть выполнены цилиндрической формы, более простой в изготовлении, или цилиндроконической формы (20), имеющей более низкое гидравлическое сопротивление. Патрубки имеют наружные диаметры Д_п, составляющие 0,4 ... 1,0 наружного диаметра Д_с теплообменной секции (1). Коллекторная камера (7) трубного пространства имеет высоту H, составляющую 1,01 ... 1,2 высоты блока секции H₀.

Окна (8) коллекторов (9) межтрубной среды выполнены в форме полуэллипса (10), малая ось которого В составляет
В = Д_с - (2_б.ст + 2 мм)
где б.ст - толщина стенки трубы теплообменной секции.

Размер полуоси А составляет А=(0,54 ... 0,63) Д_с.

Размер радиусов R дуг полуэллипса (10) составляет R= (0,55 ... 0,65)Д_c, центры которых расположены симметрично полуоси А, на оси В, с расстоянием С = (0,14 ... 0,024)Д_с между центрами. Каналы (11) коллекторов (9) межтрубной среды выполнены в форме полуэллипса (13), малая ось которого В_к равна диаметру соединяемых секций Д_с; радиусы дуг R_к сопряжения канала с поверхностью секции, центры которых совпадают с координатами центров дуг окна, имеют размеры, составляющие R_к = R + (б_ст + 1 мм). Боковая поверхность канала (11) имеет радиус кривизны R_б, определяемый соотношение R_б = (1,2 ... 1,5) R_с, где R_с - радиус соединяемых секций.

Во всех случаях соотношение минимальной высоты H₁ и максимальной H₂ каналов (11) коллекторов (9) межтрубной среды находится в пределах H₂ = (3,8... 6,5)H₁, где H₁ - расстояние между соединяемыми секциями.

Соединение смежных секций между собой по межтрубному пространству происходит в следующей последовательности. Изготовленный канал (11) (целиком или из 2-х половин с разъемом по линии а' - а'') устанавливается между двумя смежными секциями (1), которые закреплены в трубных решетках. Скрепление канала (11) с поверхностью нижней секции проходит по линии в' - а' - г'. Линия скрепления криволинейного торца (12) канала (11) с поверхностью нижней секции (1) на фиг. 6 показана наружной пунктирной линией. Зазор между кромкой окна (8) в секции (1) и внутренней стенкой канала (11) составляет 1 мм. По линиям в' - в'' и г' - г'' крепление производится к трубной решетке, по линии в'' - а'' - г'' к поверхности верхней секции.

В целях снижения трудоемкости изготовления данного соединения в практической работе линия пересечения 2-х цилиндрических поверхностей - парабола без ущерба качеству заменена эллипсами. Для изготовления каналов использована труба кожуха теплообменника, диаметр которой на один типоразмер больше диаметров соединяемых секций.

Коллекторные камеры (7) трубной среды теплообменника состоят из обечаек, выполненных в виде части цилиндра с фланцами и имеющих наружный радиус R_об, составляющий R_об = (0,8... 1,5)R_с, где R_с - наружный радиус теплообменной секции.

Коллекторные камеры (7) трубной среды для централизованных систем теплоснабжения с рабочим давлением 2-3 кгс/см² (коттеджи, малоэтажные здания и т. д.) выполнены прямоугольной формы с одним или несколькими ребрами жесткости (19) во внутреннем объекте камеры, что снижает трудоемкость изготовления;
подводящие и отводящие патрубки (2, 4) трубной среды расположены соосно соответственно верхней и нижней теплообменным секциям (1), на патрубках (3, 5) которых расположены отборники (16) проб воды для анализов, выполняющих функции воздухоотводчиков заполнения теплообменника водой, и дает возможность подсоединения манометров для контроля работы и проведения различных испытаний трубного и межтрубного пространства теплообменника, что снижает трудоемкость в изготовлении и эксплуатации;
длина патрубка (3,5) межтрубной среды при выполнении их цилиндрической формы унифицирована, что снижает трудоемкость изготовления;
коллекторные камеры трубной среды снабжены шарнирами (18), что снижает трудоемкость ремонтных и профилактических работ в период эксплуатации.

Теплообменник работает в двух режимах: горячего водоснабжения и отопления.

При работе в режиме горячего водоснабжения нагреваемая среда (водопроводная вода) поступает в теплообменник по патрубкам (2) и движется по трубному пространству теплообменника, проходя последовательно левую коллекторную камеру (7), теплообменные трубы (15) нижней секции (1), правую коллекторную камеру (7) трубной среды, теплообменные трубы 15 второй секции (1), левую коллекторную камеру, трубы (15) третьей секции (1) и т.д., и выходит нагретая из теплообменника через патрубок (4) в систему горячего водоснабжения здания.

Греющая среда поступает в теплообменник по патрубку (3) и движется противотоком по межтрубному пространству теплообменных секций, включая первую секцию (1), окно (8) в этой секции, выполненное в форме части эллипса (10), внутреннюю полость канала (9) коллекторной камеры (11), через окно (8) смежной секции (1) межтрубное пространство второй секции (1), левую коллекторную камеру межтрубной среды и т.д., и выходит из теплообменника охлажденная по патрубку (5). Опорные перегородки (14), размещенные в межтрубном пространстве каждой теплообменной секции (1), интенсифицируют процесс теплообмена между греющей и нагреваемой средой за счет изменения характера движения и улучшения условий смывания теплообменных труб (15) греющим теплоносителем.

В процессе работы теплообменника возможна разгерметизация теплообменных труб (15), в результате чего химически обработанная вода смешивается в жесткой водопроводной водой, нарушая водный режим тепловых сетей. Для контроля герметичности периодически производится отбор проб воды из штуцеров (16) на входе и выходе греющей воды из теплообменника и штуцера (17). Сравнивая результаты анализов воды на жесткость, делается вывод о герметичности теплообменника. Этот метод обладает значительно меньшей трудоемкостью, чем определение герметичности после остановки работы теплообменника, демонтажа правой и левой коллекторной камер (7) трубного пространства, создания давления в межтрубном пространстве и визуальное определение состояния герметичности теплообменных труб (15).

Для контроля давления в процессе работы теплообменника к верхнему штуцеру (17) подсоединяется манометр с трехходовым краном, который одновременно служит для удаления воздуха из трубного пространства в процессе заполнения теплообменника водой. Для удаления воздуха из межтрубного пространства используется штуцер (16) для отбора проб воды, расположенный на подводящем патрубке (3). При прекращении работы теплообменника и остановки его на ремонт слив воды из трубного пространства производится через нижний штуцер (17), слив воды из межтрубного пространства производится через штуцер (16) патрубка (5).

Для обеспечения доступа к вальцовочным соединениям трубного пучка (15) в период профилактического осмотра, чистки, во время испытаний и т.д. камеры (7) трубной среды снабжены шарнирами (18), что исключает подъем и опускание во время работы тяжелых деталей весом до 100 кг.

Использование в кожухотрубном теплообменнике предлагаемых усовершенствований дает возможность снизить трудоемкость изготовления до 15%, а трудоемкость эксплуатации - до 25%.

Источники информации.

1. Патент РФ N 2011945, F 28 D 7/00, F 28 D 9/12, 1994 г. (аналог).

2. Патент РФ N 2109241, F 23 D 7/00, БИ N 11, 1998 г. (прототип).

Коллекторные камеры трубной среды могут быть выполнены прямоугольной формы с цилиндрическими или цилиндроконическими патрубками, на которых предусмотрены отборники проб воды для анализа на жесткость, используемые для удаления из теплообменника воздуха при его заполнении водой. Осуществляется удаление воды при установке, а также подключение, подсоединение манометров для контроля давления в период работы теплообменника, используемое оборудование обеспечивает проведение различных видов испытаний: приемосдаточных, исследовательских, теплотехнических, гидравлических, сравнительных, сертификационных и др. видов испытаний теплообменников. Применение шарнирных соединений на камерах трубной среды исключает выполнение тяжелых операций по подъему, опусканию и монтажу тяжелых деталей весом 100 кг в период ремонта и профилактического обслуживания теплообменника. Компактный кожухотрубный теплообменник для централизованных и децентрализованных систем теплоснабжения зданий обладает более низкой трудоемкостью в изготовлении и эксплуатации и меньшим гидравлическим сопротивлением за счет унификации ряда деталей. 6 з. п.ф-лы, 8 ил.

1. Теплообменник, содержащий коллекторные камеры трубной среды с подводящими и отводящими патрубками, соединенные между собой через трубные решетки теплообменными секциями, состоящими из пучков теплообменных труб, заключенных в цилиндрические кожухи, патрубков подвода и отвода межтрубной среды, коллекторы для межтрубной среды, выполненные в виде окон, размещенных на наружной поверхности смежных теплообменных секций с чередованием то с одной, то с другой стороны, примыкающих к соответствующей трубной решетке и соединенных между собой каналом, отличающийся тем, что подводящие и отводящие патрубки трубной и межтрубной среды могут быть выполнены цилиндрической или цилиндроконической формы и имеют наружные диаметры D_п, составляющие 0,4 - 1,0 наружного диаметра D_с теплообменной секции; высота коллекторной камеры Н составляет 1,01 - 1,2 высоты блока Н_о; каналы коллекторов межтрубной среды выполнены в форме полуэллипса, малая ось которого В_к равна диаметру соединяемых секций D_с; радиусы дуг сопряжены канала с поверхностью секции R_к, центры которых совпадают с координатами центров дуг окна для прохода теплоносителя, имеют размеры, определяемые соотношением
R_к = R + (б_ст. + 1 мм),
где R - размер радиусов дуг окна;
б_ст. - толщина стенки канала;
а боковая поверхность канала имеет радиус кривизны R_б, определяемый соотношением
R = (1,2 - 1,5)R_с,
где R_с - наружный радиус соединяемых секций,
причем соотношение минимальной Н₁ и максимальной Н₂ высоты канала составляет
Н₂ = (3,8 - 6,5) Н₁,
где Н₁ - расстояние между соединяемыми секциями. 2. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что коллекторные камеры состоят из обечаек, выполненных в виде части цилиндра с фланцами и имеющих наружный радиус R_об, составляющий 0,8 - 1,5 наружного радиуса R_с теплообменной секции. 3. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что коллекторные камеры трубной среды выполнены прямоугольной формы с одним или несколькими ребрами жесткости во внутреннем объеме камеры. 4. Теплообменник по пп.1, 2 или 3, отличающийся тем, что подводящие и отводящие патрубки трубной среды расположены соосно соответственно верхней и нижней теплообменным секциям, на патрубках которых расположены отборники проб воды для анализов, выполняющие функции воздухоотводчиков при заполнении теплообменника водой. 5. Теплообменник по пп.1, 2 или 3, отличающийся тем, что длина патрубков межтрубной среды при выполнении их цилиндрической формы унифицирована. 6. Теплообменник по пп.1, 2 или 3, отличающийся тем, что коллекторные камеры трубной среды снабжены шарнирами. 7. Теплообменник по пп.1 - 6, отличающийся тем, что коллекторные камеры выполнены из отдельных частей, соединяющих по две смежные теплообменные секции, и установлены поочередно то с одной, то с другой стороны теплообменника по ходу движения трубной среды.