ТЕПЛООБМЕННЫЙ АППАРАТ Российский патент 2001 года по МПК F28D7/02 

Изобретение относится к энергетикe и может быть использовано в теплообменных аппаратах как с жидким, так и c газообразным теплоносителем.

Известны теплообменники и парогенераторы, теплообменная поверхность которых выполнена из отдельных пространственно- спиральных змеевиков с одинаковыми геометрическими характеристиками, оси которых параллельны (см. SU N 532744 A, 21.10.76, F 28 D 7/00; RU 1468150 C 30.09.94 F 28 D 7/00; RU 2006777 C1, 30.01.94, F 28 D 5/02; DE 3421421 A1, 03.01.85, F 28 D 7/02, EP 0751363 A1, 02.01.97, F 28 D 7/02, DE 3026954 C2, 09.05.85, F 28 D 7/02). Недостатками вышеуказанных конструкций является неэффективное заполнение теплообменной поверхностью корпуса теплообменного аппарата и небольшая турбулизация теплоносителя по межтрубному пространству, что требует значительного увеличения размеров теплообменного аппарата.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является теплообменный аппарат по SU N 1355852 A1, 30.11.87, F 28 D 7/00. Данный теплообменный аппарат имеет вертикально расположенные в кожухе пучки параллельных теплообменных элементов, выполненные в виде пространственно-спиральных змеевиков с одинаковыми геометрическими характеристиками, образующие отдельные шестигранные модули, объединенные в блок.

Недостатком данной конструкции является большие габариты теплообменного аппарата и невозможность получения у него оптимальных массогабаритных и теплогидравлических характеристик.

Задача, решаемая изобретением, - создание компактной конструкции теплообменного аппарата с повышенной надежностью и эффективностью работы при различных теплофизических свойствах теплоносителей.

Технический результат от использования изобретения заключается в получении такой компактной конструкции теплообменного аппарата, при которой высокая надежность конструкции сочетается с максимальной эффективностью теплообмена при минимальном гидравлическом сопротивлении для различных параметров теплофизических свойств теплоносителей.

Указанный технический результат достигается тем, что в теплообменном аппарате, имеющем вертикально расположенные в кожухе пучки параллельных теплообменных элементов, выполненные в виде пространственно-спиральных змеевиков с одинаковыми геометрическими характеристиками, образующие отдельные шестигранные модули, объединенные в блок, витки змеевиков заведены между витками смежных змеевиков как в пучке, так и между витками смежных пучков до их взаимного касания, при этом расстояние между центрами модулей H определяется по формуле

где T - расстояние между центрами теплообменных элементов;
n - количество рядов в шестигранном модуле, расположенных вокруг центрального элемента.

Причем при установке модули повернуты относительно оси симметрии блока на угол α, определяемый по формуле

Блок, например, в регенераторе газотурбинных установок, при эксплуатации с теплоносителем, имеющем небольшое давление, движущемся по межтрубному пространству, в поперечном сечении может иметь форму, близкую к форме прямоугольника, длина сторон L_дл, L_ш которого определяeтся по формулам
L_дл = H·(K_м-0,5)+C/cosα;
L_ш = H·(K_р-1)·0,866+B·cosα,
где К_м - количество модулей в ряду;
К_р - количество рядов (нечетное число);
B - размер шестигранного модуля по торцам, определяемого по формуле B= 2T·n+Д, где Д - наружный диаметр теплообменного элемента; C - размер под ключ шестигранного модуля, определяемого по формуле
C= 2T·n·0,866 + Д,
при этом количество модулей N в блоке определяется по формуле
N=К_м·К_р-0,5·(К_р-1)
Теплообменный аппарат, например, в качестве бойлера или холодильника химического аппарата, имеющий по межтрубному пространству достаточно высокое давление теплоносителя, может иметь блок, форма которого в поперечном сечении близка к форме окружности, описанный диаметр трубного пучка D_oп которой определяется по формуле
D_оп = H·(K_I-1)+B·cosα
где K_I - коэффициент, зависящий от количества теплообменных модулей, выполненных в форме шестигранника, расположенных в поперечном сечении теплообменника (см. таблицу).

Теплообменный аппарат может иметь блок, который в поперечном сечении имеет форму, близкую к форме шестигранника, расстояние по граням L_s в котором определяется по формуле
L_s = H·(K_I-1)+B/cosα
На фиг. 1 изображен теплообменный аппарат, продольный разрез;
на фиг. 2 - сечение на фиг. 1, у которого блок в поперечном сечении имеет форму, близкую к форме прямоугольника;
на фиг. 3 - сечение на фиг. 1, у которого блок в поперечном сечении имеет форму, близкую к форме круга;
на фиг. 4 - сечение на фиг. 1, у которого блок в поперечном сечении имеет форму, близкую к форме шестиугольника;
на фиг. 5 - выносной элемент А на фиг. 2, с указанием на то, что модули теплообменного аппарата повернуты относительно оси симметрии блока на угол α.
Теплообменный аппарат содержит пучок змеевиков 1 с малым радиусом гиба, расположенных в корпусе 2 с трубами подвода 3, отвода 4 среды II контура, которые объединены трубными решетками 5, 6 с примыкающими к ним коллекторными камерами 7, 8 подвода-отвода среды. Среда 1 контура подводится и отводится через патрубки 9 и 10.

Теплообменный аппарат работает следующим образом.

Нагреваемая среда II подается в камеру 7, раздается трубами по вертикально расположенным в корпусе пучкам параллельных теплообменных элементов, выполненных в виде пространственно-спиральных змеевиков с одинаковыми геометрическими характеристиками, образующих отдельные шестигранные модули, витки змеевиков которых заведены между витками смежных змеевиков как в пучке, так и между витками смежных пучков до их взаимного касания, образуя единый блок. Нагреваемая среда, отдавая тепло охлаждаемой среде I, собирается в камере 8 и отводится из аппарата. Среда I контура поступает в патрубок 9 подвода среды, двигаясь навстречу среде II контура, отдает тепло и отводится через патрубок 10.

Промышленная применимость данного решения очевидна. В результате многочисленных опытно-экспериментальных исследований с различными диаметрами навивки доказано, что в этом случае теплообменная поверхность равномерно располагается в активном объеме, что позволяет получить оптимальные условия обтекания пучка змеевиков для различных теплоносителей. Теплоноситель II контура, двигаясь внутри змеевиков с малым радиусом гиба, которые расположены вертикально, имеет высокую турбулизацию, что препятствует отложению грязи и накипи и способствует их эффективному удалению.

Теплоноситель 1 контура, двигаясь по межтрубному пространству, разбивается на отдельные струйки, которые постоянно закручиваясь и перемешиваясь, обтекают змеевик снаружи и внутри, и расход струек пропорционален поверхности теплообмена. Это позволяет выравнивать температуру стенки по периметру трубы и повысить эффективность использования теплообменной поверхности.

Перечисленные признаки отличают предлагаемое техническое решение от прототипа и обуславливают соответствие этого решения требованиям изобретения.

Изобретение предназначено для применения в энергетике. Тепловой аппарат содержит кожух и вертикально расположенные в нем пучки параллельных теплообменных элементов, выполненные в виде пространственно-спиральных змеевиков с одинаковыми геометрическими характеристиками, образующие отдельные шестигранные модули, объединенные в блок, витки змеевиков заведены между витками смежных змеевиков как в пучке, так и между витками смежных пучков до их взаимного касания, при этом расстояние между центрами модулей Н определяется по формуле где Т - расстояние между центрами теплообменных элементов, n - количество рядов в шестигранном модуле, расположенных вокруг центрального элемента. В результате внедрения изобретения повышается надежность и эффективность работы теплообменного аппарата при работе на различных теплоносителях. 3 з.п. ф-лы, 1 табл., 5 ил.

1. Теплообменный аппарат, содержащий вертикально расположенные в кожухе пучки параллельных теплообменных элементов, выполненные в виде пространственно-спиральных змеевиков с одинаковыми геометрическими характеристиками, образующие отдельные шестигранные модули, объединенные в блок, отличающийся тем, что витки змеевиков заведены между витками смежных змеевиков как в пучке, так и между витками смежных пучков до их взаимного касания, а модули повернуты относительно оси симметрии блока на угол α, определяемый по формуле

где n - количество рядов в шестигранном модуле, расположенных вокруг центрального элемента,
при этом расстояние между центрами модулей Н определяется по формуле

где Т - расстояние между центрами теплообменных элементов. 2. Теплообменный аппарат по п.1, отличающийся тем, что блок в поперечном сечении имеет форму, близкую к форме прямоугольника, длина сторон L_дл, L_ш которого определяются по формулам
L_дл= H×(K_м-0,5)+C/cosα;
L_ш= H×(K_p-1)×0,866+B×cosα,
где К_м - количество модулей в ряду;
К_р - количество рядов (нечетное число);
В - размер шестигранного модуля по торцам, определяемого по формуле: В = 2Т х n + Д,
где Д - наружный диаметр теплообменного элемента;
С - размер под ключ шестигранного модуля, определяемого по формуле
С = 2Т х n х 0,866 + Д,
при этом количество модулей N в блоке определяется по формуле
N = К_м х К_р - 0,5 х (К_р - 1)
3. Теплообменный аппарат по п.1, отличающийся тем, что блок в поперечном сечении имеет форму, близкую к форме окружности, описанный диаметр трубного пучка D_оп которой определяется по формуле
D_оп= H×(K₁-1)+B×cosα
где К₁ - коэффициент, зависящий от количества теплообменных модулей, выполненных в форме шестигранника, расположенных в поперечном сечении теплообменника. 4. Теплообменный аппарат по п.1, отличающийся тем, что блок в поперечном сечении имеет форму, близкую к форме шестигранника, расстояние по граням L_s в котором определяется по формуле
L_s= H×(K₁-1)+B/cosα