ТЕПЛООБМЕННИК-СМЕСИТЕЛЬ Российский патент 2002 года по МПК F24H1/10 F28C3/06 

Изобретение относится к теплообменной аппаратуре и может быть использовано в энергетической промышленности.

Известны теплообменники с регулируемым теплосъемом (см. авторское свидетельство СССР 569795, кл. F 22 G 5/12, 1977 г. и авторское свидетельство СССР 1110990, кл. F 22 G 5/12, 1984 г.), содержащие соосно установленные рубашки для теплообменивающих сред, в кольцевом зазоре, между которыми находится с возможностью перемещения промежуточный теплоноситель.

Недостатком указанных устройств является невозможность регулирования расхода выходной среды при заданной ее температуре.

Известны устройства для перекрытия и регулирования расхода рабочей среды (кн. Жутнев П.А. и др. Краны для трубопроводов, М, "Машиностроение", 1967, с. 25 рис. 25, Схемы рабочих положений крана с Т-образным проходом), содержащие цилиндрические конические золотники в цилиндрических корпусах с подводящими и отводящими трубопроводами.

Недостатком указанных устройств является то, что они предназначены для конкретных своих целей и не могут решить задач, решаемых в предложенном изобретении, а именно решить задачу регулирования расхода выходной среды при заданной ее температуре в теплообменнике-смесителе, без его изменений, которые следуют из решения простой инженерной задачи.

Прототипом предлагаемого изобретения является теплообменник-смеситель (см. авторское свидетельство СССР 1537954, кл. F 22 G 5/12, 1990 г.), содержащий цилиндрическую камеру смешения с выходным патрубком в торце, одинаковые (круглые отверстия) каналы в боковой стенке камеры смешения для подачи холодной и горячей теплообменивающихся сред, теплоанализирующую рубашку для рабочей жидкости с большим коэффициентом объемного расширения, соединенную каналом (трубкой) с камерой смешения в месте между размещенными в ней соосно с возможностью перемещения поршнем с винтовым штоком, имеющим на другом конце ручку управления, и стаканообразным золотником со своими ответными впускными каналами (проточки с отверстиями), смещенными по длине камеры смешения относительно ее боковых каналов в противоположные стороны на величину радиуса каналов (круглых впускных отверстий) камеры смешения.

Недостатком прототипа (теплообменника-смесителя) является то, что для регулирования расхода среды необходимо устанавливать дополнительные вентили выходной среды с заданной температурой, что не всегда удобно и экономически нецелесообразно. Кроме того, установка дополнительных регулирующих (запорных) вентилей всегда снижает надежность устройства в целом.

Указанные недостатки ставят задачу повышения эффективности и надежности теплообменника-смесителя путем обеспечения возможности регулирования расхода (от максимального его значения до полного перекрытия) при автоматическом регулировании заданной температуры выходной среды.

Указанная задача достигается ниже описываемым теплообменником-смесителем, содержащим цилиндрическую камеру смешения с выходным патрубком в торце, одинаковые входные каналы в боковой стенке камеры смешения для холодной и горячей теплообменивающихся сред, теплоанализирующую рубашку, заполненную рабочей жидкостью с большим коэффициентом объемного расширения и гидравлически соединенную с полостью камеры смешения в месте между размещенными в ней соосно с возможностью перемещения поршнем со штоком и стаканообразным золотником со своими ответными впускными каналами, смещенными по длине камеры смешения относительно ее боковых каналов в противоположные стороны на величину радиуса каналов камеры смешения, входные каналы для теплообменивающихся сред в камере и золотнике выполнены одинакового круглого сечения, золотник со стороны поршня имеет центральный хвостовик (например, прямоугольного сечения), а поршень со стороны золотника имеет ответную, соосную направляющую хвостовика (с ответным внутренним прямоугольным сечением) с дренажным отверстием в основании, шток поршня выполнен цилиндрическим и зафиксирован фиксатором (например, цанговым), расположенным в торце, противоположном выходному патрубку камеры смешения.

Замена винтового штока поршня цилиндрическим необходима для обеспечения развязки его задающих (управляющих движений: поступательного и вращательного), так как из теории автоматического регулирования известно, что для регулирования двух разных регулируемых величин необходимо обеспечить их развязку по регулирующим величинам. В нашем случае регулируемыми величинами являются заданная температура выходной среды, а регулирующими величинами являются расходы холодной и горячей сред. Но для регулирования заданной температуры выходной среды расходы горячей и холодной сред должны изменятся в противофазе, а для регулирования расхода выходной среды с заданной постоянной температурой расходы горячей и холодной сред должны изменятся в одной фазе (то есть одновременно и на одинаковую величину) при уже заданном их количественном соотношении, обусловленном заданной температурой выходной среды. Поэтому для реализации такого закона изменения регулирующих величин (расходов холодной и горячей сред) в предложенном теплообменнике-смесителе их развязка выполнена по разному виду независимых движений золотника (и связанного с ним механически и гидравлически поршня со штоком), а именно:
а) поступательное движение золотника вдоль своей оси регулирует плавное изменение температуры выходной среды;
б) вращательное движение золотника вокруг своей оси регулирует плавное изменение расхода выходной среды от максимального его значения до полного прекращения, при уже заданном соотношении входных расходов холодной и горячей сред, обусловленном получением заданной постоянной температуры выходной среды.

Замена входных каналов в золотнике двух проточек с множеством отверстий на два круглых отверстия, по диаметру равных круглым входным отверстиям камеры смешения, необходима для обеспечения развязки его задающих (управляющих движений: поступательного и вращательного), как было указано выше для цилиндрического штока, жестко соединенного с одной стороны с поршнем и по вращению с золотником, и с другой стороны - с ручкой управления.

Введение в золотнике со стороны поршня хвостовика (например, прямоугольного сечения), а на поршне со стороны золотника ответной соосной хвостовику направляющей (с ответным внутренним прямоугольным сечением), необходимо для обеспечения жесткой механической связи между поршнем и золотником по вращению и обеспечения между ними механической развязки по поступательному движению.

Введение в направляющей поршня, у ее основания отверстия для впуска и выпуска рабочей среды в полость этой направляющей необходимо для дренажа рабочей среды, чтобы уменьшить гидравлическое сопротивление зазора между хвостовиком и его направляющей.

Введение фиксатора (например, цангового с зажимной гайкой) необходимо для фиксации в рабочем режиме (вне задания необходимых параметров) цилиндрического штока и жестко связанных с ним поршня и по вращению золотника.

Выполнение теплообменника-смесителя в совокупности с вышеизложенными признаками (отличительными признаками формулы изобретения) является новым для теплообменников-смесителей, и, следовательно, соответствует критерию "новизна".

Вышеприведенная совокупность отличительных признаков не известна на данном уровне развития техники и не следует из общеизвестных правил конструирования теплообменников-смесителей и их вспомогательного оборудования, что доказывает соответствие критерию "изобретательский уровень".

Конструктивная реализация теплообменника-смесителя с указанной совокупностью существенных признаков не представляет никаких конструктивно-технических и технологических трудностей, откуда следует соответствие критерию "промышленная применимость".

На фиг.1 представлен общий вид теплообменника-смесителя в разрезе.

На фиг.2 представлен вид по стрелке (направлению) А.

На фиг.3 представлен разрез по Б-Б.

Теплообменник-смеситель содержит цилиндрическую камеру смешения 1 с выходным патрубком 2 в торце и одинаковыми (круглыми) входными каналами 3 и 4 холодной и горячей сред, последние из которых выполнены в боковой стенке камеры смешения 1, а также соосно расположенный в ней подвижный поршень 5, к которому неподвижно присоединены цилиндрический шток 6 с ручкой управления 7, направляющая 8 с дренажным отверстием 9 и золотник 10, установленный в зоне каналов 3 и 4. Золотник 10 имеет два входных одинаковых (круглых) канала 11, смещенных по длине золотника относительно боковых каналов 3 и 4 камеры смешения 1 в противоположные стороны на величину радиуса канала, и центральный хвостовик 12 (например, прямоугольного сечения). Теплообменник-смеситель снабжен теплоанализирующей рубашкой 13, размещенной на выходном участке камеры смешения 1, соединенной трубкой 14 с полостью 15 в камере смешения 1 между поршнем 5 и золотником 10 и заполненной вместе с ней средой с высоким коэффициентом объемного расширения. Шток 6 поршня 5 выполнен цилиндрическим и зафиксирован фиксатором 16, расположенным в торце камеры смешения 1. Фиксатор 16 выполнен цанговым и содержит направляющую цилиндрического штока 6 в виде разрезной втулки 17 с цилиндрической конической резьбой (закрепленной на торцевой крышке камеры смешения 1) и гайки 18 (с ответной цилиндрической конической резьбой) в виде фиксирующего кольца (или ручки).

Работа предлагаемого теплообменника-смесителя осуществляется следующим образом.

Через каналы 3 и 4 в боковых стенках камеры смешения 1 и каналы 11 золотника 10 холодная и горячая среды под давлением подаются в камеру смешения 1, перемешиваются там, обмениваясь при этом теплом, и через выходной патрубок 2 в виде среды с заданной температурой выходит из теплообменника-смесителя. Необходимая температура выходной среды задается перемещением золотника 10 вверх или вниз гидравлически через жидкость поршнем 5 при осевом перемещении цилиндрического штока 6, зафиксированного цанговым фиксатором 16 и снабженного ручкой управления 7.

При перемещении золотника 10 вниз (как представлено на фиг.1) проходное сечение входа холодной среды в камеру смешения 1 увеличивается, а проходное сечение для входа горячей среды - уменьшается, в результате чего температура выходной среды теплообменника-смесителя понижается. При перемещении золотника 10 вверх (в сторону ручки управления 7) - наоборот, проходное сечение для входа горячей среды в камеру смешения 1 увеличивается, а для прохождения холодной среды уменьшается, в результате чего температура выходной среды теплообменника-смесителя повышается.

Установленный таким образом уровень температуры выходной среды в дальнейшем при работе теплообменника-смесителя поддерживается автоматически следующим образом.

При отклонении по какой-либо причине температуры выходной среды от установленной в сторону ее увеличения жидкость в теплоанализирующей рубашке 13 нагревается, объем ее возрастает, в результате чего золотник 10 перемещается вниз, увеличивая расход холодной среды и уменьшая при этом расход горячей среды, температура выходной среды уменьшается, то есть восстанавливается.

При отклонении температуры выходной среды в сторону ее понижения температура жидкости в рубашке 13 понижается, объем жидкости уменьшается, в результате чего золотник 10, перемещаясь вверх, увеличивает расход горячей среды и уменьшает расход холодной среды, в итоге чего температура выходной среды увеличивается, то есть восстанавливается.

При автоматическом регулировании температуры выходной среды жидкость, расширяясь (или сжимаясь) в теплоанализирующей рубашке 13, переходит по трубке 14 в полость камеры смешения 1 между поршнем 5 и золотником 10 (или обратно), перемещая последний, т. к. поршень 5 снабжен зафиксированным (закрепленным) цанговым фиксатором 16 цилиндрическим штоком 6. При движении золотника 10 вверх (или вниз) относительно поршня 5 жидкость вытекает (или втекает) из направляющей 8 под действием хвостовика 12 через дренажное отверстие 9.

Для установления заданного расхода выходной среды цилиндрический шток 6 поворачивается при помощи ручки 7, (предварительно необходимо освободить шток 6 в цанговом фиксаторе 16, гайкой (или ручкой) 18) на определенный угол. При этом вместе с цилиндрическим штоком 6 поворачивается на тот же угол поршень 5 и через жесткую механическую связь по вращению между направляющей 8 и хвостовиком 12 золотник 10. В результате вращения золотника 10 проходные сечения в каналах 3 и 4 одинаково изменяются (открываются или закрываются) боковыми стенками золотника 10, и расход через каналы золотника 10, а следовательно, и из выходного патрубка, изменяется (увеличивается или уменьшается). В режиме регулировании расхода в случае его уменьшения при дальнейшем поворачивании ручки управления 7 (золотника 10) расход среды с заданной температурой через теплообменник-смеситель полностью прекращается.

Таким образом, вращением ручки управления 7 в теплообменнике-смесителе плавно устанавливается необходимый расход выходной среды от максимального его значения до минимального или до полного его прекращения, наряду с автоматическим регулированием заданной температуры выходной среды. Выходная температура среды задается перемещением ручки управления со штоком вдоль своей оси (по фиг.1 вверх или вниз). После задания необходимых значений расхода и температуры выходной среды ручка управления 7 с цилиндрическим штоком 6 фиксируется гайкой (или ручкой) 18 до очередной настройки (регулирования).

Изобретение предназначено для получения среды с заданной температурой и может быть использовано в энергетической промышленности. Теплообменник-смеситель содержит камеру смешения с выходным патрубком в торце, одинаковые входные каналы в боковой стенке камеры смешения для теплообменивающихся сред, теплоанализирующую рубашку, заполненную рабочей жидкостью с большим коэффициентом объемного расширения и гидравлически соединенную с полостью камеры смешения в месте между размещенными в ней соосно с возможностью перемещения поршнем со штоком и стаканообразным золотником со своими ответными впускными каналами, смещенными по длине камеры смешения относительно ее боковых каналов в противоположные стороны на величину радиуса каналов камеры смешения. При этом входные каналы для теплообменивающихся сред в камере и золотнике выполнены одинакового круглого сечения, золотник со стороны поршня имеет центральный хвостовик, а поршень со стороны золотника имеет ответную соосную направляющую хвостовика с дренажным отверстием в основании, шток поршня выполнен цилиндрическим и зафиксирован фиксатором, расположенным в торце, противоположном выходному патрубку камеры смешения. Изобретение обеспечивает повышение эффективности и надежности теплообменника. 3 ил.

Теплообменник-смеситель, содержащий цилиндрическую камеру смешения с выходным патрубком в торце, одинаковые входные каналы в боковой стенке камеры смешения для холодной и горячей теплообменивающихся сред, теплоанализирующую рубашку, заполненную рабочей жидкостью с большим коэффициентом объемного расширения и гидравлически соединенную с полостью камеры смешения в месте между размещенными в ней соосно с возможностью перемещения поршнем со штоком и стаканообразным золотником со своими ответными впускными каналами, смещенными по длине камеры смешения относительно ее боковых каналов в противоположные стороны на величину радиуса каналов камеры смешения, отличающийся тем, что входные каналы для теплообменивающихся сред в камере и золотнике выполнены одинакового круглого сечения, золотник со стороны поршня имеет центральный хвостовик, а поршень со стороны золотника имеет ответную соосную направляющую хвостовика с дренажным отверстием в основании, шток поршня выполнен цилиндрическим и зафиксирован фиксатором, расположенным в торце, противоположном выходному патрубку камеры смешения.