ТЕПЛООБМЕННЫЙ АППАРАТ Российский патент 2005 года по МПК F28D3/02 

Изобретение относится к области теплоэнергетического оборудования, более конкретно - к конструкции кожухотрубных теплообменников и направлено на повышение их тепловых и эксплуатационных характеристик и упрощение конструкции.

В настоящее время кожухотрубные теплообменники являются наиболее широко применяемым типом теплообменников. Это обусловлено прежде всего надежностью конструкции и большим набором вариантов исполнения для различных условий эксплуатации. Известны теплообменные аппараты, содержащие корпус с двумя неподвижными трубными решетками и закрепленным в них пучком прямых труб (с одной неподвижной трубной решеткой и плавающей головкой (с патрубком или без него) и закрепленным в них пучком прямых труб; с одной неподвижной трубной решеткой и закрепленным в нее пучком U-образных труб) (Григорьев В.А., Колач Т.А., Соколовский B.C., Темкин P.M. Краткий справочник по теплообменным аппаратам. М. - Л., «Государственное энергетическое издательство», 1962, стр.36, 40, 62, 67, 68, 85, 87, 92, 103, 119, 120, 123, 188, 189, 192, 193, 194, 210 и 211; Андреев М.М., Берман С.С., Буглаев ВТ., Костров Х.Н. Теплообменная аппаратура энергетических установок. М., «Государственное издательство машиностроительной литературы», 1963, стр.126, 127 и 150; Борисов Г.С., Брыков В.П., Дытнерский Ю.И. и др. Основные процессы и аппараты химической технологии. М., «Химия», 1991, стр.463; Фраас А., Оцисик М. Расчет и конструирование теплообменников. М., «Атомиздат», 1971, стр.11, 12, 170, 171, 258 и 347; Справочник по теплообменникам, том 2, М., «Энергоатомиздат», Перевод с английского под редакцией Мартыненко О.Г., Михалевича А.А. и Шикова В.К.,1987, стр.45-52, 55-60, 273-281). Концы труб соединены с коллекторами, имеющими патрубки. Один из коллекторов служит для подвода и распределения первого теплоносителя по трубам, а другой для сбора теплоносителя на выходе из труб и последующего вывода его из теплообменника через патрубок. Запитка (ввод и вывод) межтрубного пространства теплообменника вторым теплоносителем осуществляется через входной и выходной патрубки, расположенные непосредственно на корпусе, или с помощью коллекторов с патрубками, установленных на корпусе. С целью повышения коэффициента теплоотдачи снаружи труб в межтрубном пространстве размещены элементы конструкции для формирования поперечного (перпендикулярно трубам) обтекания их теплоносителем. Конструктивные элементы могут быть выполнены в виде плоских поперечных перегородок с различной формой окна для протока теплоносителя (Григорьев В.А., Колач Т.А., Соколовский B.C., Темкин P.M. Краткий справочник по теплообменным аппаратам. М. - Л., «Государственное энергетическое издательство», 1962, стр.36, 40, 62, 67, 68, 85, 87, 92, 103, 119, 120, 123, 188, 189, 192, 193, 194, 210 и 211; Андреев М.М., Берман С.С., Буглаев В.Г., Костров Х.Н. Теплообменная аппаратура энергетических установок. М., «Государственное издательство машиностроительной литературы», 1963, стр.126, 127 и 150; Борисов Г.С., Брыков В.П., Дытнерский Ю.И. и др. Основные процессы и аппараты химической технологии. М., «Химия», 1991, стр.463; Фраас А., Оцисик М. Расчет и конструирование теплообменников. М., «Атомиздат», 1971, стр.11, 12, 170, 171, 258 и 347; Справочник по теплообменникам, том 2, М., «Энергоатомиздат», Перевод с английского под редакцией Мартыненко О.Г., Михалевича А.А. и Шикова В.К., 1987, стр.45-52, 55-60, 273-281) или в виде одноярусной винтовой перегородки, для прохода пучка труб в перегородках имеются отверстия. Недостатком теплообменников с плоскими поперечными перегородками является неэффективное использование поверхности труб и наличие непродуктивных (паразитных) гидравлических потерь в межтрубном пространстве. Это обусловлено тем, что в зонах расположения окон в перегородках поперечное обтекание труб переходит в продольное. Перед окном происходит ускорение и поворот потока, а за ним поворот и торможение потока. Теплообмен при продольном обтекании труб менее эффективен, чем при поперечном, а разгон, торможение и поворот потока приводят к непродуктивным (паразитным) гидравлическим потерям. Наконец, за плоскими поперечными перегородками формируются застойные зоны, где вяло идут процессы теплообмена и интенсивно образуются отложения на поверхности труб.

Основной недостаток теплообменников, в которых вместо плоских поперечных перегородок используются одноярусные винтовые перегородки (Авторское свидетельство СССР №1160224, кл. F 28 D 7/00, 1984, Парфенов В.П. и Сахаров И.В., «Кожухотрубный теплообменник»; Авторское свидетельство СССР №198361, кл. 17 f 5/01; 62 с 13/01, 1965, Скотников П.А., Афанасьева М.С., Салтайс Э.А. и Борисов Б.В., «Кольцевой теплообменник для систем охлаждения воздуха летательных аппаратов»; Авторское свидетельство СССР №1163124 А, кл. F 28 D 7/00, 1966, Парфенов В.П. и Сахаров И.В., «Кожухотрубный теплообменник»; Проспект нидерландской фирмы «ABB-Lummus Heat Transfer» спиральный теплообменник "Helixchanger") обусловлен применением только одного яруса винтовой перегородки. При больших диаметрах корпуса имеет место большая неравномерность скоростей в межтрубном пространстве, что снижает тепловую мощность теплообменника. Кроме того, в многоходовых теплообменниках с одноярусной перегородкой нельзя реализовать режим только противоположно направленного многократно перекрестного тока, что также ухудшает тепловые характеристики теплообменников. Из уровня техники известны и другие конструкции кожухотрубных теплообменников (Григорьев В.А., Колач Т.А., Соколовский B.C., Темкин P.M. Краткий справочник по теплообменным аппаратам. М. - Л., «Государственное энергетическое издательство», 1962, стр.36, 40, 62, 67, 68, 85, 87, 92, 103, 119, 120, 123, 188, 189, 192, 193, 194, 210 и 211; Андреев М.М., Берман С.С., Буглаев В.Г., Костров Х.Н. Теплообменная аппаратура энергетических установок. М., «Государственное издательство машиностроительной литературы», 1963, стр.126, 127 и 150; Борисов Г.С., Брыков В.П., Дытнерский Ю.И. и др. Основные процессы и аппараты химической технологии. М., «Химия», 1991, стр.463; Фраас А., Оцисик М. Расчет и конструирование теплообменников. М., «Атомиздат», 1971, стр.11, 12, 170, 171, 258 и 347; Справочник по теплообменникам, том 2, М., «Энергоатомиздат», Перевод с английского под редакцией Мартыненко О.Г., Михалевича А.А. и Шикова В.К.,1987, стр.45-52, 55-60, 273-281; Авторское свидетельство СССР №1160224, кл. F 28 D 7/00, 1984, Парфенов В.П. и Сахаров И.В., «Кожухотрубный теплообменник»; Авторское свидетельство СССР №198361, кл. 17 f 5/01; 62с 13/01, 1965, Скотников П.А., Афанасьева М.С, Салтайс Э.А. и Борисов Б.В., «Кольцевой теплообменник для систем охлаждения воздуха летательных аппаратов»; Авторское свидетельство СССР №1163124 А, кл. F 28 D 7/00, 1966, Парфенов В.П. и Сахаров И.В., «Кожухотрубный теплообменник»; Проспект нидерландской фирмы «АВВ-Lummus Heat Transfer» спиральный теплообменник "Helixchanger"; Авторское свидетельство №941846, кл. F 28 F 9/22 и F 28 D 7/00, 1980, Степин Н.М., Беляков В.К., Сафонов А.М. и др., «Блок опорных перегородок для труб кожухотрубного теплообменника»). Между собой они отличаются количеством неподвижных трубных решеток, конструкцией и количеством крышек (коллекторов), приемами согласования температурных расширений корпуса и теплообменных труб, формой и количеством коллекторов на корпусе для второго теплоносителя, количеством патрубков для первого и второго теплоносителей. При всем многообразии конструкций любой кожухотрубный теплообменник содержит корпус (кожух), не менее одной неподвижной трубной решетки, пучок теплообменных труб (прямых или U-образных) и элементы конструкции (патрубки, коллектора) для запитки теплообменных труб и межтрубного пространства теплоносителями.

Наиболее близким к заявленному теплообменному аппарату по техническому решению (прототипом) является кожухотрубный теплообменник с одноярусной винтовой перегородкой и двухходовым течением теплоносителя в трубах (Авторское свидетельство СССР №1163124 А, кл. F 28 D 7/00, 1966, Парфенов В.П. и Сахаров И.В., «Кожухотрубный теплообменник»). Этот теплообменник состоит из соосных наружной и внутренней обечаек, между которыми расположен пучок прямых труб, состоящий из двух секций. Концы труб закреплены в трубные решетки (доски). Винтовая перегородка в межтрубном пространстве формирует поперечное обтекание труб, что обеспечивает существенно более высокий коэффициент теплоотдачи, чем при продольном обтекании труб. Патрубки на коллекторах и корпусе обеспечивают подвод и отвод теплоносителей из труб и межтрубного пространства.

Кожухотрубные теплообменники с одноярусной винтовой перегородкой лишены отмеченных выше недостатков теплообменников с плоскими поперечными перегородками, но обладают другими. Основным недостатком является большая неравномерность поля скоростей теплоносителя в межтрубном пространстве. Это связано с тем, что во внешней зоне (у стенки корпуса (наружной обечайки в терминах прототипа)) на пути течения теплоносителя расположено существенно больше труб, чем в центральной зоне (у внутренней обечайки). Поэтому коэффициент гидравлического сопротивления во внешней зоне межтрубного пространства больше, чем в центральной зоне. По этой причине происходит переток части теплоносителя из внешней зоны в центральную зону (к оси теплообменника). В результате этого скорость поперечного обтекания труб (соответственно коэффициент теплоотдачи) во внешней зоне оказывается меньше, чем в центральной. Более высокая скорость теплоносителя (больший коэффициент теплоотдачи) в центральной зоне не компенсирует меньшее количество труб и меньший угол атаки труб в ней. В результате происходит снижение тепловой мощности теплообменника.

Известно, что при поперечном обтекании труб коэффициент теплоотдачи зависит от угла атаки между вектором скорости потока и осью трубы (α≤90°). Чем больше угол атаки, тем больше коэффициент теплоотдачи (максимальное значение при α=90°). В винтовом канале угол атаки (соответственно коэффициент теплоотдачи) плавно уменьшается от внешнего радиуса винтовой перегородки к внутреннему. Введение в конструкцию одноярусного теплообменника внутренней обечайки (втулки) позволяет сгладить разницу в углах атаки (коэффициентах теплоотдачи) на внешнем и внутреннем радиусах винтовой перегородки. Однако это приводит к нерациональному использованию объема теплообменника, т.к. внутри внутренней обечайки нет теплообменных труб. Уменьшение поверхности теплообмена является другим недостатком прототипа.

Наконец, в теплообменниках с одноярусной винтовой перегородкой с двумя и большим числом ходов труб без принятия специальных мер только часть труб работает в режиме противоположно направленного многократно перекрестного тока, а остальные - в режиме однонаправленного многократно перекрестного тока. Наличие труб, работающих в режиме однонаправленного многократно перекрестного тока, снижает среднелогарифмический температурный напор, а соответственно и тепловую мощность теплообменника. Чтобы устранить этот недостаток, в прототипе пришлось усложнить конструкцию. Была введена дополнительная трубная доска и кольцевая перегородка. Кроме того, пришлось пойти на то, чтобы трубы внутреннего трубного пучка между дополнительной и расположенной рядом основной трубными досками контактировали не с охлаждаемым газом, а с охлаждающей водой. В результате между этими трубными досками происходит не требуемое от теплообменника охлаждение газа, а нежелательный нагрев воды, выходящей из наружного трубного пучка, более горячей водой на выходе из внутреннего трубного пучка (на выходе из теплообменника). Усложнение конструкции из-за введения дополнительной трубной решетки и использование части поверхности труб не только не по назначению, но и во вред процессу охлаждения газа также являются недостатками прототипа. Заявляемое изобретение направлено на создание кожухотрубного теплообменника с более высокой тепловой эффективностью, более простой конструкцией и более широкими эксплуатационными возможностями, чем у прототипа.

Теплообменный аппарат содержит корпус, коллекторы с патрубками для подвода и отвода первого теплоносителя, патрубки для входа и выхода второго теплоносителя из корпуса и расположенный в нем пучок теплообменных труб с трубной решеткой, а также конструктивные элементы, расположенные в межтрубном пространстве для обеспечения поперечного обтекания вторым теплоносителем пучка труб снаружи, выполненные в виде винтовой перегородки, в которой сделаны отверстия для прохода пучка труб, внутри которых течет первый теплоноситель, причем согласно изобретению теплообменный аппарат содержит две неподвижные трубные решетки, или одну неподвижную трубную решетку и плавающую головку, или одну неподвижную трубную решетку и U-образные трубы, а винтовая перегородка выполнена многоярусной.

Согласно второму пункту изобретения между ярусами расположены разделительные стенки.

Таким образом, в кожухотрубном теплообменнике, содержащем корпус, не менее одной неподвижной трубной решетки, элементы конструкции (патрубки, коллекторы) для запитки пучка теплообменных труб и межтрубного пространства теплоносителями, пучок теплообменных труб (обобщенное понятие для пучка прямых и пучка U-образных теплообменных труб) и элементы конструкции для формирования поперечного обтекания пучка теплообменных труб в межтрубном пространстве, последние (элементы конструкции) выполнены в виде многоярусной (содержащей не менее двух ярусов) винтовой перегородки с отверстиями для прохода пучка теплообменных труб, причем между винтовыми перегородками всех или только некоторых соседних ярусов расположены разделительные стенки.

Запитка (подвод и отвод теплоносителя) трубного пучка и межтрубного пространства может осуществляться разными способами. В частности, для запитки трубного пучка первым теплоносителем могут использоваться две крышки (коллекторы) с патрубками, одна крышка (коллектор) с патрубком и непосредственным сливом первого теплоносителя в емкость (трубопровод)) или наоборот, а также вообще без использования крышек (запитка непосредственно от трубопроводов). Запитка межтрубного пространства теплообменника вторым теплоносителем осуществляется, как правило, через входной и выходной патрубки, расположенные непосредственно на корпусе. Для равномерного ввода (вывода) теплоносителя в межтрубное пространство могут применяться коллекторы различной формы. Кроме того, в случае применения U-образных труб запитка вторым теплоносителем межтрубного пространства может производиться от одного патрубка и открытого торца корпуса (без второй трубной решетки и второй крышки). При применении плавающей головки запитка межтрубного пространства может производиться с помощью одного патрубка и кольцевой щели между торцом корпуса и плавающей головкой (Григорьев В.А., Колач Т.А., Соколовский B.C., Темкин P.M. Краткий справочник по теплообменным аппаратам. М. - Л., «Государственное энергетическое издательство», 1962, стр.36, 40, 62, 67, 68, 85, 87, 92, 103, 119, 120, 123, 188, 189, 192, 193, 194, 210 и 211; Андреев М.М., Берман С.С., Буглаев В.Г., Костров Х.Н. Теплообменная аппаратура энергетических установок. М., «Государственное издательство машиностроительной литературы», 1963, стр.126, 127 и 150; Борисов Г.С., Брыков В.П., Дытнерский Ю.И. и др. Основные процессы и аппараты химической технологии. М., «Химия», 1991, стр.463; Фраас А., Оцисик М. Расчет и конструирование теплообменников. М., «Атомиздат», 1971, стр.11, 12, 170, 171, 258 и 347; Справочник по теплообменникам, том 2, М., «Энергоатомиздат», Перевод с английского под редакцией Мартыненко О.Г., Михалевича А.А. и Шикова В.К.,1987, стр.45-52, 55-60, 273-281).

С целью повышения коэффициента теплоотдачи снаружи труб в межтрубном пространстве размещены элементы конструкции для формирования поперечного обтекания их теплоносителем. Элементы конструкции представляют собой многоярусную (содержащую не менее двух ярусов) винтовую перегородку с отверстиями для прохода пучка труб, причем между винтовыми перегородками всех или только некоторых соседних ярусов расположены разделительные стенки. Для прохода пучка труб в перегородках имеются отверстия. При всем многообразии исполнения конструкций кожухотрубных теплообменников все они характеризуются одной совокупностью существенных признаков: корпус, одна неподвижная трубная решетка, пучок теплообменных труб и элементы конструкции (патрубки, коллекторы) для запитки теплообменных труб и межтрубного пространства теплоносителями. В совокупность существенных признаков заявляемой конструкции входят также «элементы конструкции для формирования поперечного обтекания пучка труб в межтрубном пространстве, выполненные в виде многоярусной (содержащей не менее двух ярусов) винтовой перегородки с отверстиями для прохода пучка труб, причем между винтовыми перегородками всех или только некоторых соседних ярусов расположены разделительные стенки. Вообще признак «элементы конструкции для формирования поперечного обтекания пучка труб в межтрубном пространстве» не является существенным, т.к. может применяться в конструкциях теплообменников, а может и не применяться. Например, в теплообменниках, работающих по классическим схемам противотока или прямотока, он отсутствует. Однако в заявляемой конструкции теплообменника этот признак составляет суть изобретения, соответствует критериям «новизна» и «изобретательский уровень». Поэтому он является существенным и должен входить в совокупность существенных признаков заявляемого изобретения.

В зависимости от назначения и условий эксплуатации существенные элементы конструкции (признаки) теплообменника дополняются соответствующим набором несущественных элементов (признаков) конструкции, известных из уровня техники. Для заявляемой конструкции кожухотрубного теплообменника комплект несущественных элементов конструкции включает в себя: плавающую головку без патрубка или с патрубком; крышку (коллектор) без перегородки с патрубком или без него; крышку (коллектор) с перегородкой и двумя патрубками (с одним патрубком или вообще без патрубков); два (один) тороидальных, цилиндрических или спиральных коллекторов с патрубком для запитки теплоносителем межтрубного пространства; два или один патрубок непосредственно на корпусе для запитки теплоносителем межтрубного пространства; элементы для фиксации от перемещений винтовых перегородок в виде стяжек (маячковых стержней), распорок, перемычек; противоударное устройство в местах ввода теплоносителя в межтрубное пространство (противоударная пластина, замена труб под патрубком на стержни, применение коллекторов для организации распределенного ввода теплоносителя по окружности и т.д.); интенсификаторы теплообмена на трубах (прямых или U-образных) в виде спиральных или кольцевых канавок (накатка канавок), лунок, проволочной спирали, ребер и т.д.; различные способы герметичной заделки труб в трубные доски (развальцовка, сварка, развальцовка + сварка, пайка, сальниковое или другое подвижное уплотнение); различные варианты размещения труб в трубных решетках (по углам равностороннего треугольника, квадрата, ромба; на концентрических окружностях) (Григорьев В.А., Колач Т.А., Соколовский B.C., Темкин P.M. Краткий справочник по теплообменным аппаратам. М. - Л., «Государственное энергетическое издательство», 1962, стр.36, 40, 62, 67, 68, 85, 87, 92, 103, 119, 120, 123, 188, 189, 192, 193, 194, 210 и 211; Андреев М.М., Берман С.С., Буглаев В.Г., Костров Х.Н. Теплообменная аппаратура энергетических установок. М., «Государственное издательство машиностроительной литературы», 1963, стр.126, 127 и 150; Борисов Г.С., Брыков В.П., Дытнерский Ю.И. и др. Основные процессы и аппараты химической технологии. М., «Химия», 1991, стр.463; Фраас А., Оцисик М. Расчет и конструирование теплообменников. М., «Атомиздат», 1971, стр.11, 12, 170, 171, 258 и 347; Справочник по теплообменникам, том 2, М., «Энергоатомиздат», Перевод с английского под редакцией Мартыненко О.Г., Михалевича А.А. и Шикова В.К.,1987, стр.45-52, 55-60, 273-281; Авторское свидетельство СССР №1160224, кл. F 28 D 7/00, 1984, Парфенов В.П. и Сахаров И.В., «Кожухотрубный теплообменник»; Авторское свидетельство СССР №198361, кл. 17f 5/01; 62 с 13/01, 1965, Скотников П.А., Афанасьева М.С., Салтайс Э.А. и Борисов Б.В., «Кольцевой теплообменник для систем охлаждения воздуха летательных аппаратов»; Авторское свидетельство СССР №1163124 А, кл. F 28 D 7/00, 1966, Парфенов В.П. и Сахаров И.В., «Кожухотрубный теплообменник»; Проспект нидерландской фирмы «АВВ-Lummus Heat Transfer» спиральный теплообменник "Helixchanger"; Авторское свидетельство №941846, кл. F 28 F 9/22 и F 28 D 7/00, 1980, Степин Н.М., Беляков В.К., Сафонов А.М. и др., «Блок опорных перегородок для труб кожухотрубного теплообменника»); конструкторское исполнение винтовых перегородок и разделительных перегородок (см. ниже). Введение в конструкцию несущественных (дополнительных) элементов конструкции превращают возможность достижения заявленного технического результата изобретения (повышение тепловой эффективности, упрощение конструкции и более широкие эксплуатационные возможности по сравнению с прототипом) в реально работающий теплообменник. В результате достигается выполнение условия «промышленная применимость».

Конструкция ярусов винтовой перегородки может быть выполнена зацело (из одного элемента) или состоящей из нескольких секций (секторов), установленных вплотную друг к другу или с промежутками между ними. Длина секций (секторов) и промежутков может быть равна шагу винтовой перегородки или иметь другую длину (меньше или больше шага винтовой перегородки). Винтовая перегородка центрального яруса может иметь по оси втулку (обечайку) или стержень, а может быть выполнена и без них. В некоторых конструкциях теплообменников втулка используется в качестве патрубка для подвода теплоносителя к противоположному торцу теплообменника. Для фиксации винтовых перегородок от перемещений в продольном (по оси теплообменника) направлении могут использоваться стяжки (маячковые стержни), распорки, перемычки (Справочник по теплообменникам, том 2, М., «Энергоатомиздат», Перевод с английского под редакцией Мартыненко О.Г., Михалевича А.А. и Шикова В.К., 1987, стр.45-52, 55-60, 273-281; Проспект нидерландской фирмы «ABB-Lummus Heat Transfer» спиральный теплообменник "Helixchanger; Авторское свидетельство №941846, кл. F 28 F 9/22 и F 28 D 7/00, 1980, Стёпин Н.М., Беляков В.К., Сафонов А.М. и др., «Блок опорных перегородок для труб кожухотрубного теплообменника»), а также разделительные стенки или втулки. Жесткая связь между ними и винтовой перегородкой может быть выполнена с помощью механического соединения, сварки, пайки или другим способом. В теплообменниках без втулки фиксация центральной винтовой перегородки может осуществляться не только с использованием стяжек, распорок, перемычек, но и с помощью стержня по оси винтовой перегородки (так сделаны рыбацкие буры для сверления лунок во льду) (см. фиг.1 и 5). Шаг винтовой перегородки в ярусах может быть как постоянным, так и переменным, одинаковым во всех ярусах или различным. Направление закрутки винтовых перегородок в ярусах может быть любым. С точки зрения грамотной организации процесса теплообмена в одноходовых (по первому теплоносителю) теплообменниках с пучком прямых труб при отсутствии разделительной стенки между соседними ярусами шаг винтовой перегородки внутреннего яруса должен быть меньше, чем у расположенного над ним яруса. В этом случае за счет соответствующего подбора шага (гидравлического сопротивления винтового канала с пучком поперечных труб) достигается существенное уменьшение нежелательного перетока теплоносителя из внешнего яруса к внутреннему. В пределах одного яруса шаг может быть постоянным или переменным в зависимости от решаемой задачи и свойств теплоносителя. Сама винтовая перегородка может быть однозаходной или многозаходной. При больших шагах винтовой перегородки применение многозаходной конструкции позволяет решить две задачи. В однозаходных конструкциях винтовой перегородки при больших расстояниях между соседними перегородками (большом шаге) в средней зоне винтового канала поперечное обтекание труб переходит в продольное, что приводит к снижению коэффициента теплоотдачи. Применение многозаходной конструкции винтовой перегородки (введение одной или нескольких винтовых перегородок между основными) решает эту проблему. Наконец, при большом шаге винтовой перегородки имеет место большой пролет между опорами для труб, что может стать причиной вибрации труб и последующего их разрушения. Многозаходная конструкция позволяет обеспечить требуемый для безвибрационной работы труб пролет между перегородками (опорами). При этом поле скоростей в межтрубном пространстве остается таким же, как и при однозаходной винтовой перегородке. Винтовая перегородка в ярусах может иметь не только плавную форму поверхности, но может быть набрана из плоских сегментов, как это сделано в теплообменниках фирмы ABB-Lummus Heat Transfer (Проспект нидерландской фирмы «ABB-Lummus Heat Transfer» спиральный теплообменник "Helixchanger"). Разделительная стенка между соседними ярусами может иметь несколько конструкторских исполнений. Она может быть сделана в виде сплошной цилиндрической поверхности, цилиндрической поверхности с одним или несколькими поясами окон любой формы (круглой, квадратной, прямоугольной и т.д.) или состоять из отдельных цилиндрических колец с зазорами между ними. Размеры окон, колец, зазоров, их расположение и количество подбираются с учетом стоящей задачи. Введение в конструкцию разделительной стенки окон или зазоров позволяет производить перераспределение расхода теплоносителя между соседними ярусами и тем самым воздействовать на процесс теплоотдачи в межтрубном пространстве. Предлагаемая конструкция элементов для формирования поперечного обтекания пучка труб в межтрубном пространстве в виде многоярусной винтовой перегородки позволяет частично или полностью (при размещении между ярусами разделительной стенки) устранить нежелательные перетечки теплоносителя между соседними ярусами (из внешнего к внутреннему). В многоходовых теплообменниках многоярусная конструкция с разделительной стенкой позволяет еще реализовать режим только противоположно направленного многократно перекрестного тока. Оба этих фактора повышают тепловую мощность (тепловую эффективность) теплообменника. При этом сохраняются все достоинства теплообменников (в частности, прототипа) с одноярусной винтовой перегородкой, а именно: поперечное обтекание пучка труб, отсутствие застойных зон (с вялым теплообменом и большими отложениями на наружной поверхности труб) и ликвидация непроизводительных (паразитных) гидравлических потерь. Достоинствами заявляемой конструкции теплообменника по сравнению с прототипом являются также отсутствие поверхностей теплообмена, работающих во вред основному процессу теплообмена, и отсутствие дополнительной трубной доски, что существенно упрощает конструкцию. Возможность применения U-образных теплообменных труб или прямых теплообменных труб с плавающей головкой в теплообменниках с многоярусной винтовой перегородкой с разделительной стенкой между ярусами и многоходовым течением теплоносителя в трубах обеспечивает не только режим противоположно направленного многократно перекрестного тока, но и полностью решает вопрос согласования температурных расширений труб и корпуса. Это расширяет эксплуатационные возможности (отсутствуют ограничения по допустимой величине разности температур между трубами и корпусом) и области применения теплообменника при сохранении высокой тепловой эффективности. Таким образом, отличительные признаки заявляемой конструкции теплообменника решают поставленные цели повышения тепловой эффективности, упрощения конструкции и расширения эксплуатационных возможностей теплообменника. Анализ известных из уровня техники конструкций кожухотрубных теплообменных аппаратов не выявил аналоги с совокупностью существенных признаков, совпадающей с совокупностью существенных признаков изобретения. Поэтому заявляемая конструкция кожухотрубного теплообменника соответствует критерию «новизна».

Поиск аналогичных решений в этой же и в смежных областях техники не выявил использования отличительных признаков предлагаемого изобретения для решения подобных задач или достижения тех же результатов. Следовательно, заявляемая конструкция для специалиста явным образом не вытекает из достигнутого уровня техники. Поэтому она соответствует критерию «изобретательский уровень».

Сущность изобретения поясняется наиболее характерными примерами реализации заявляемой конструкции, что не исключает другие возможные варианты его осуществления в рамках формулы изобретения. В принципе любая известная из уровня техники конструкция кожухотрубного теплообменника, содержащая элементы конструкции для формирования поперечного обтекания труб в межтрубном пространстве в виде плоских поперечных перегородок или одноярусной винтовой перегородки, после замены их (элементов конструкции) на многоярусную винтовую перегородку может быть примером реализации изобретения. Характерные конструкции изобретения представлены:

- на фиг.1 изображен продольный разрез одноходового (по трубам и межтрубному пространству) кожухотрубного теплообменника с двумя ярусами винтовой перегородки и разделительной стенкой межу ними. Теплообменник работает в режиме противоположно направленного многократно перекрестного хода;

- на фиг.2 изображен продольный разрез двухходового по трубам и межтрубному пространству кожухотрубного теплообменника с двумя ярусами винтовой перегородки и разделительной стенкой между ними, пучком U-образных теплообменных труб и одной неподвижной трубной решеткой. Центральный (внутренний) ярус имеет внутреннюю обечайку (втулку), используемую одновременно в качестве патрубка для подвода теплоносителя к противоположному торцу корпуса теплообменника. Теплообменник работает в режиме противоположно направленного многократно перекрестного тока;

- на фиг.3 изображено поперечное сечение по А-А теплообменника, изображенного на фиг.2;

- на фиг.4 изображена разводка U-образных труб для типового сегмента (1/6 часть поперечного сечения) сечения по А-А на фиг.3;

- на фиг.5 изображен продольный разрез двухходового по трубам и межтрубному пространству кожухотрубного теплообменника с двумя ярусами винтовой перегородки и разделительной стенкой между ними, пучком U-образных теплообменных труб и одной неподвижной трубной решеткой. Внутренний (центральный) ярус имеет стержень, используемый для фиксации винтовой перегородки. Теплообменник работает в режиме противоположно направленного многократно перекрестного тока;

- на фиг.6 изображен продольный разрез одноходового по трубам и межтрубному пространству кожухотрубного теплообменника с тремя ярусами винтовой перегородки, двумя неподвижными трубными решетками и пучком прямых теплообменных труб. Между центральным и средним ярусами расположена разделительная стенка, а между средним и внешним ярусами разделительной стенки нет. Теплообменник работает в режиме противоположно направленного многократно перекрестного тока;

- на фиг.7 изображен продольный разрез четырехходового по трубам и межтрубному пространству кожухотрубного теплообменника с четырьмя ярусами винтовой перегородки, одной неподвижной трубной решеткой и двумя последовательно соединенными пучками U-образных теплообменных труб. Между соседними ярусами размещены разделительные стенки, а центральный ярус имеет внутреннюю втулку, используемую одновременно в качестве патрубка для подвода теплоносителя к противоположному торцу корпуса теплообменника. Теплообменник работает в режиме противоположно направленного многократно перекрестного тока;

- на фиг.8 изображен продольный разрез сдвоенного кожухотрубного теплообменника с общим коллектором 6 для подвода теплоносителя в межтрубное пространство 14-ти кассетных теплообменников, расположенных в двух прочностных корпусах 3 (по 7 кассет в каждом корпусе). Все кассетные теплообменники выполнены по двухходовой схеме и имеют два яруса винтовых перегородок с разделительной стенкой между ними. Два яруса винтовых перегородок в совокупности с U-образными теплообменными трубами позволили реализовать в кассетных теплообменниках режим противоположно направленного многократно перекрестного тока. Конструкция этого теплообменника приведена для демонстрации возможности изготовления и перспективности применения на практике заявляемой конструкции. Для удобства рассмотрения этой конструкции теплообменника;

- на фиг.9 в увеличенном масштабе изображена правая верхняя четверть продольного разреза теплообменника на фиг.8;

- на фиг.10 изображен продольный разрез трубной сборки 4 теплообменника на фиг.8;

- на фиг.11 изображен продольный разрез коллекторного узла 6 теплообменника на фиг.8;

- на фиг.12 изображен продольный разрез прочностного корпуса 3 теплообменника на фиг.8;

- на фиг.13 изображено поперечное сечение по А-А (с расположением теплообменных труб на концентрических окружностях) теплообменника на фиг.8;

- на фиг.14 изображено поперечное сечение по А-А (с расположением теплообменных труб на эквидистантных шестигранниках) на фиг.8;

- на фиг.15 изображен продольный разрез сдвоенного кожухотрубного теплообменника, отличающегося от теплообменника на фиг.8 только конструкцией коллекторного узла для раздачи теплоносителя в межтрубные пространства кассетных теплообменников и конструкцией прочностного корпуса;

- на фиг.16 изображен продольный разрез сдвоенного кожухотрубного теплообменника, отличающегося от теплообменников на фиг.8 и 15 только конструкцией коллекторного узла и прочностного корпуса;

- на фиг.17 изображен продольный разрез вертикального кожухотрубного конденсатора. Конденсатор имеет двухъярусную винтовую перегородку с переменным шагом. Конденсатор работает в смешанном режиме: та часть конденсатора, где расположен внешний ярус винтовой перегородки, работает в режиме противоположно направленного многократно перекрестного тока, а зона центрального яруса - в режиме однонаправленного многократно перекрестного тока;

- на фиг.18 изображен продольный разрез вертикального кожухотрубного конденсатора, отличающегося от конденсатора на фиг.17 только схемой организации подвода конденсируемого теплоносителя к теплообменным трубам.

Ниже приводятся описания конструкции и работы теплообменников, изображенных на фиг.1-16 и конденсаторов на фиг.17 и 18.

Кожухотрубный теплообменник, изображенный на фиг.1, состоит из корпуса 1 с двумя патрубками 2 и 3 для запитки (подвода и отвода) вторым теплоносителем межтрубного пространства, двух трубных решеток 9 и 10 с герметично закрепленными в них концами пучка прямых труб 4, двух крышек (коллекторов) 5 и 6 с патрубками 7 и 8 для запитки труб первым теплоносителем. Двухъярусная винтовая перегородка 11 и 12 формирует в межтрубном пространстве поперечное обтекание труб. Между центральной 11 и внешней 12 винтовыми перегородками (ярусами) размещена разделительная перегородка 14. Центральная винтовая перегородка 11 закреплена на стержне 13, внешняя 12 - на разделительной перегородке 14.

Коэффициенты гидравлического сопротивления вдоль линий тока на разных диаметрах одноярусного винтового канала существенно различны. Это обусловлено разной длиной линий тока и количеством поперечно обтекаемых труб на пути потока. Большим диаметрам соответствуют большая длина линий тока и большее количество поперечно обтекаемых труб, а следовательно, и большие коэффициенты гидравлического сопротивления. Центральная зона межтрубного пространства обладает наименьшим коэффициентом гидравлического сопротивления. В теплообменниках с одноярусной винтовой перегородкой это является причиной перетока теплоносителя в центральную зону (к оси теплообменника) из других областей межтрубного пространства. В результате такого перераспределения теплоносителя в зоне межтрубного пространства у корпуса снижается скорость поперечного обтекания труб, что приводит к снижению коэффициента теплоотдачи. Более высокая скорость теплоносителя (больший коэффициент теплоотдачи) в центральной зоне не компенсирует меньшее количество труб и меньший угол атаки труб в ней. В результате происходит снижение тепловой мощности теплообменника. Замена одноярусной винтовой перегородки на двухъярусную 11 и 12 с разделительной стенкой 14 между ярусами решает эту проблему. Разделительная стенка полностью исключает переток теплоносителя из внешнего яруса во внутренний. В результате поле скоростей в межтрубном пространстве становится более равномерным, что повышает среднее значение коэффициента теплоотдачи и соответственно приводит к повышению тепловой мощности. Возможна конструкция теплообменника без разделительной стенки. В этом случае уменьшение перетока достигается увеличением гидравлического сопротивления внутреннего (центрального) винтового канала за счет уменьшения шага его винтовой перегородки 11 по отношению шагу винтовой перегородки внешнего яруса 12. По сравнению с прототипом теплообменник такой конструкции обладает большей мощностью, а отсутствие дополнительной трубной решетки делает его конструкцию более простой. Для прохода труб в винтовых перегородках 11 и 12 имеются отверстия. Винтовые перегородки обоих ярусов могут быть выполнены в виде единого (одного) элемента или состоять из нескольких секций любой длины, установленных вплотную друг к другу или с промежутками между ними. Шаг винтовых перегородок у обоих ярусов может быть как одинаковым, так и разным. В пределах одного яруса шаг винтовой перегородки может быть как постоянным, так и переменным, а сама винтовая перегородка может быть однозаходной или многозаходной.

Трубы могут быть гладкостенными или иметь интенсификаторы теплообмена в виде накатки (спиральной или кольцевой), проволочных спиралей или колец снаружи или внутри труб, лунок, оребрения или других типов. Кроме того, для увеличения поверхности теплообмена и упорядочения течения в отрывных зонах за трубами могут применяться плавниковые трубы.

Теплообменник работает следующим образом. По патрубку 2 теплоноситель вводится в межтрубное пространство и поступает в винтовые каналы центрального 11 и внешнего 12 ярусов. За счет большего гидравлического сопротивления центрального канала достигается выравнивание средних скоростей теплоносителя между обоими винтовыми каналами. При течении по винтовым каналам центрального и внешнего ярусов теплоноситель омывает пучок труб под углом, близким к прямому (поперечное обтекание труб), что обеспечивает высокий коэффициент теплоотдачи. Подвод теплоносителя в трубы осуществляется из напорного коллектора 5, а отвод - в сливной коллектор 6. Оба коллектора имеют патрубки (7 и 8) для подсоединения к внешним трубопроводам.

Рассмотренная конструкция теплообменника обладает всеми достоинствами прототипа (отсутствуют застойные зоны и участки с продольным обтеканием труб, нет зон с разгоном, торможением и поворотом потока). В заключение описания конструкции и принципа работы теплообменника, изображенного на фиг.1, следует сказать, что рассматриваемые ниже варианты конструктивного исполнения теплообменников с многоярусной винтовой перегородкой имеют много общего с рассмотренной выше конструкцией теплообменника. Поэтому описание схожих элементов конструкции в этих теплообменниках будет сжатым или будет сделана соответствующая ссылка.

Кожухотрубный двухходовой теплообменник, изображенный на фиг.2, имеет два яруса винтовых перегородок 11 и 12, между которыми расположена разделительная стенка 14. Концы пучка U-образных труб 15 герметично заделаны в отверстиях неподвижной трубной решетки 9 с помощью развальцовки, пайки, сварки, клеевого соединения или их комбинации. На корпусе (внешней обечайке) 1 имеется патрубок 7 для подвода теплоносителя в напорный коллектор 16 для пучка U-образных труб 15 и патрубок 3 для отвода теплоносителя из межтрубного пространства. На днище 17 расположен патрубок 8 для отвода теплоносителя из сливного коллектора 18 для пучка U-образных труб, а на днище 19 имеется патрубок 2 для подвода теплоносителя в межтрубное пространство центрального яруса 11. При этом находящаяся внутри корпуса 1 часть патрубка 2 не только обеспечивает подвод теплоносителя в противоположную зону межтрубного пространства (у трубной решетки 9), но и является втулкой для винтовой перегородки центрального яруса 11. Жесткая связь винтовой перегородки центрального яруса с втулкой (сварка, пайка и т.д.) обеспечивает фиксацию винтовой перегородки от любых перемещений. Если винтовая перегородка свободно насажана на втулку, то фиксация может быть выполнена, например, при помощи стяжек (маячковых стержней) и распорок, широко используемых в теплообменниках с плоскими сегментными перегородками (Проспект нидерландской фирмы «ABB-Lummus Heat Transfer» спиральный теплообменник "Helixchanger"; Авторское свидетельство №941846, кл. F 28 F 9/22 и F 28 D 7/00, 1980, Стёпин Н.М., Беляков В.К., Сафонов А.М. и др. Блок опорных перегородок для труб кожухотрубного теплообменника). При необходимости винтовые перегородки 11 и 12 могут быть жестко соединены с разделительной стенкой 14. Замещение труб в центральной зоне межтрубного пространства патрубком 2 препятствует нежелательному перетоку теплоносителя к оси теплообменника. Однако при этом несколько снижается количество труб (поверхность теплообмена). Патрубок 2 выполняет три функции: является патрубком для ввода теплоносителя в межтрубное пространство, элементом для фиксации лопастей винтовой перегородки и ограничителем нежелательных перетечек теплоносителя к оси корпуса. Коллекторы для подвода 16 и отвода 18 теплоносителя из пучка U-образных труб 15 образованы частью корпуса 1, цилиндрической перемычкой 20, трубной решеткой 9 и днищем 17. Для прохода труб в винтовых перегородках 11 и 12 имеются отверстия. В рассматриваемой конструкции теплообменника отверстия в винтовых перегородках расположены на концентрических окружностях (см. фиг.3 и 4). Естественно, что количество отверстий в поперечном сечении (см. фиг.3) должно быть одинаковым в каждом ярусе (с обеих сторон разделительной перегородки 14), а для повышения технологичности изготовления теплообменника желательно иметь как можно больше U-образных труб одного типоразмера. Для этого целесообразно разделить поперечное сечение теплообменника на несколько одинаковых секторов. Пропорционально количеству секторов уменьшается количество индивидуальных типоразмеров труб. При этом надо иметь в виду, что идентичная разводка труб в секторах возможна только при выполнении требования деления без остатка количества труб на каждом диаметре на выбранное количество секторов. В теплообменнике на фиг.2 количество секторов выбрано равным шести. Разводка труб в одном типовом секторе изображена на фиг.3 и 4. Для наглядности трубы пронумерованы, причем обоим концам одной U-образной трубы присвоено одно цифровое обозначение. Последовательность установки труб в пределах одного сектора показана на фиг.4. Вначале укладываются трубы, примыкающие к разделительной стенке 14 (с 1-й по 11-ю), затем трубы среднего диаметра внешнего яруса (с 12-й по 24-ю) и, наконец, трубы наружного диаметра (с 25-й по 38-ю). Для увеличения радиуса гиба труб, примыкающих к разделительной стенке 14 (с 1-й по 11-ю), трубы расположены не по радиусу, а под углом к нему. Возможные варианты конструкции винтовых перегородок рассмотрены выше.

В рассматриваемом теплообменнике расположение труб в трубной решетке выполнено по концентрическим окружностям. Однако схема размещения отверстий в трубных решетках может быть другой, например, по сторонам соосных шестигранников (см. фиг.11) или других многоугольников, по углам равностороннего треугольника, по углам квадрата (Фраас А., Оцисик М. Расчет и конструирование теплообменников. М., «Атомиздат», 1971, стр.11, 12, 170, 171, 258 и 347; Справочник по теплообменникам, том 2, М., «Энергоатомиздат», Перевод с английского под редакцией Мартыненко О.Г., Михалевича А.А. и Шикова В.К.,1987, стр.45-52, 55-60, 273-278).

U-образные трубы могут быть гладкостенными или иметь интенсификаторы теплообмена (см. описание теплообменника на фиг.1).

Теплообменник работает следующим образом. По патрубку 2, являющемуся одновременно втулкой для винтовой перегородки центрального яруса 11, теплоноситель направляется в противоположную зону межтрубного пространства (к трубной решетке 9) и поступает в винтовой канал центрального яруса 11. Дойдя до днища 19, теплоноситель поворачивает на 180° вокруг разделительной стенки 14 и по винтовому каналу внешнего яруса 12 течет к выходному патрубку 3. При течении по винтовым каналам центрального и внешнего ярусов теплоноситель омывает пучок труб под углом, близким к прямому (поперечное обтекание труб), что обеспечивает высокий коэффициент теплоотдачи. Подвод теплоносителя в трубы осуществляется из напорного коллектора 16, а отвод - в сливной коллектор 18. Оба коллектора имеют патрубки (7 и 8) для подсоединения к внешним трубопроводам.

Рассмотренная конструкция теплообменника обладает всеми достоинствами прототипа (отсутствуют застойные зоны и участки с продольным обтеканием труб, нет зон с разгоном, торможением и поворотом потока), но дополнительно обладает важным преимуществом, которое нельзя реализовать в теплообменниках с одним ярусом винтовой перегородки и U-образными трубами. В частности, при применении U-образных труб только двухъярусная (многоярусная) конструкция винтовой перегородки с разделительной стенкой между ярусами позволяет организовать во всем теплообменнике противоположно направленный многократно перекрестный ток. При такой организации течения теплоносителей температурный напор имеет существенно большее значение, чем при однонаправленном многократно перекрестном токе. Поэтому тепловая мощность теплообменников с многоярусной винтовой перегородкой будет выше. Следует также отметить, что в теплообменниках с U-образными трубами полностью решена проблема согласования температурных расширений корпуса и труб и поэтому такие теплообменники представляют большой интерес для практического применения, т.к. расширяют область его применения.

На фиг.5 изображен продольный разрез кожухотрубного двухходового теплообменника (по трубам и по межтрубному пространству), состоящего из двух ярусов винтовых перегородок 11 и 12 с разделительной стенкой 14 между ними, пучка U-образных труб 15 и стержня 13. Замена части патрубка, использовавшейся в теплообменнике на фиг.2 в качестве втулки, на стержень 13 повлекла за собой изменение конструкции теплообменника в части организации запитки теплоносителями труб и межтрубного пространства. Подача теплоносителя в трубы 15 производится через патрубок 7 и напорный коллектор 16, а отвод - через коллектор 18 и патрубок 8. В межтрубное пространство теплоноситель поступает через патрубок 2, коллектор 21 и отверстия 22 в разделительной стенке 14, а отводится через отверстия 23 в корпусе 1, коллектор 24 и патрубок 3.

Фиксация от перемещений винтовой перегородки центрального яруса 11 может быть достигнута за счет жесткой связи со стержнем 13, разделительной стенкой 14 или с помощью стяжек (маячковых стержней) и распорок, а винтовой перегородки внешнего яруса 12 - с помощью жесткого соединения с разделительной стенкой 14 или другим известным из уровня техники способом. Заделка труб в трубную решетку может производиться любым применяемым в промышленности способом, а сами трубы могут быть гладкими или иметь интенсификаторы теплообмена. Преимущества рассмотренной конструкции теплообменника по сравнению с прототипом и принцип его работы такие же, как у теплообменника на фиг.1 и 2.

Изображенный на фиг.6 одноходовой по трубам и межтрубному пространству теплообменник имеет три яруса винтовых перегородок 11, 12 и 25. В отличие от теплообменников на фиг.2 и 5 в данной конструкции винтовая перегородка центрального яруса 11 не имеет ни втулки (см. фиг.2), ни стержня по оси теплообменника (см. фиг.5). Между центральным 11 и средним 25 ярусами установлена разделительная стенка 14, а между средним 25 и внешним 12 ярусами разделительная стенка отсутствует. Межтрубное пространство 26 формируется корпусом 1 и двумя неподвижными трубными решетками 9 и 10, в которые заделаны концы пучка прямых труб 4. Возможные варианты конструкции труб описаны выше. Напорный 5 и сливной 6 коллекторы для труб 4 образованы трубными решетками 9, 10 и днищами 27 и 28. Как конструктивно выполнен подвод и отвод теплоносителя в межтрубное пространство, видно из чертежа.

Теплообменник работает следующим образом. В межтрубное пространство 26 теплоноситель поступает через патрубок 2, коллектор 21 и отверстия 29 в корпусе 1, а отводится через отверстия 23, коллектор 24 и патрубок 3. Запитка пучка труб 4 осуществляется через патрубок 7 и напорный коллектор 5, а отвод теплоносителя производится через сливной коллектор 6 и патрубок 8.

В рассматриваемой конструкции теплообменника уменьшение перетока теплоносителя из внешнего яруса 12 к среднему 25 достигнуто за счет применения в среднем ярусе винтовой перегородки с меньшим шагом, чем во внешнем ярусе. Проблема перетока теплоносителя из среднего яруса 25 в центральный 11 решена применением разделительной стенки 14. С помощью соответствующего подбора шага всех винтовых перегородок (при необходимости и подбором величин зазоров А и Б между торцами разделительной стенки и трубными решетками) можно обеспечить требуемое распределение расходов теплоносителя по винтовым каналам всех ярусов при любых шагах винтовых перегородок. Кроме того, введением поясов отверстий (окон, кольцевых зазоров) в конструкцию разделительной стенки можно также перераспределить расходы между ярусами (см. описание конденсатора на фиг.17).

Конструкция рассмотренного теплообменника содержит три яруса винтовых перегородок и одну разделительную стенку. Естественно, что в зависимости от решаемых задач количество ярусов и разделительных стенок может быть любым, а варьирование величинами шага и зазоров между торцами разделительных стенок и трубными досками может обеспечить требуемый расход по винтовому каналу любого яруса.

Теплообменник работает по схеме противоположно направленного многократно перекрестного тока. Если поменять направление течения любого теплоносителя на противоположное, то он будет работать по схеме однонаправленного многократно перекрестного тока. Однако в этом случае его тепловые характеристики будут хуже, чем у теплообменника с противоположно направленным многократно перекрестным током.

По сравнению с прототипом теплообменник имеет более высокие тепловые характеристики за счет снижения нежелательного перетока теплоносителя между соседними ярусами. Кроме того, в рассматриваемом теплообменнике отсутствуют поверхности теплообмена, работающие не по назначению, как в прототипе (см. описание теплообменников на фиг.1, 2 и 5).

На фиг.7 изображен продольный разрез четырехходового (по трубам и межтрубному пространству) теплообменника с четырьмя ярусами винтовых перегородок 11, 12, 25, 30 и двумя последовательно соединенными пучками U-образных труб 15 и 31. Между соседними ярусами расположены разделительные стенки 14, 25 и 32. Часть патрубка 2, находящаяся внутри корпуса 1, используется в качестве втулки центрального яруса 11, а также для подвода теплоносителя в противоположную зону (к трубной решетке 9) межтрубного пространства. Межтрубное пространство 26 теплообменника образуют корпус 1, днище 19, трубная решетка 9 и находящаяся внутри корпуса часть патрубка 2. Разделительные стенки 14, 25 и 32 формируют четырехходовое течение теплоносителя в межтрубном пространстве. Последовательное соединение двух пучков U-образных труб 15 и 31 с помощью коллектора 33 обеспечивает четырехходовое течение теплоносителя в трубах. Подача теплоносителя в трубы производится через патрубок 7 и коллектор 16, а отводится через коллектор 18 и патрубок 8. В межтрубное пространство теплоноситель вводится через патрубок 2, а выводится через отверстия 23 в корпусе 1, коллектор 24 и патрубок 3. Конструкция и принцип работы теплообменника, возможные варианты исполнения отдельных элементов конструкции аналогичны рассмотренным выше теплообменникам и поэтому здесь не приводятся. Это положение относится и к преимуществам по сравнению с прототипом. Возможность иметь большую длину труб (поверхность теплообмена) делает перспективным применение таких теплообменников для нагрева (охлаждения) вязких теплоносителей (нефти, масел и т.д.).

Пример возможности изготовления заявляемой конструкции теплообменника и перспективности применения ее в промышленности представлен на фиг.8. Из продольного разреза теплообменника видно, что по существу он является сдвоенным (состоящим из двух одинаковых теплообменников 34 и 35) кожухотрубным теплообменником с общим коллекторным узлом 36. В свою очередь каждый из этих двух теплообменников состоит из семи теплообменников кассетного типа 37, прочностного корпуса 38 и крышки 39. Самостоятельно кассетные теплообменники не существуют и формируются в законченные по функциональному назначению агрегаты (теплообменники) только после сборки всего теплообменника. Каждый кассетный теплообменник выполнен по двухходовой противоточной схеме течения теплоносителей и содержит два яруса винтовых перегородок 11 и 12 с разделительной стенкой 14 между ними. Кассетные теплообменники работают в режиме противоположно направленного многократно перекрестного тока теплоносителей, что обеспечивает им (соответственно всему теплообменнику) те преимущества по сравнению с прототипом, о которых говорилось выше при описании теплообменников на фиг.1, 2, 5, 6 и 7. Кроме того, достоинством теплообменника является высокая унификация конструкции, достигнутая за счет разделения крупногабаритных узлов на несколько более мелких одинаковых и взаимозаменяемых узлов. В первую очередь это относится к трубной решетке с трубами, которая была заменена несколькими трубными сборками небольших размеров.

Основным элементом конструкции теплообменников 34 и 35 является трубная сборка 40 (фиг.8, 9 и 10), которая в совокупности с вспомогательным корпусом 41, втулкой 42 и частью стенки 43, заключенной между вспомогательным корпусом 41 и втулкой 42, образует кассетный теплообменник. Каждая трубная сборка (фиг.10) состоит из двух ярусов винтовых перегородок 11 и 12, разделительной стенки 14 между ними, пучка U-образных труб 15 трубной решетки 9 и коллектора 18 с патрубком 8 для отвода теплоносителя из пучка труб. Винтовые перегородки центрального 11 и внешнего 12 ярусов жестко закреплены на разделительной стенке 14 любым известным способом. Расположение трубных сборок 40 в прочностном корпусе 38 показано на фиг.13, на которой изображено поперечное сечение по А-А теплообменника на фиг.8. Как видно из сечения, шесть трубных сборок расположены равномерно по окружности, а одна расположена по оси корпуса. Вспомогательные корпусы 41, разделительные стенки 14 и втулки 10 имеют цилиндрическую форму, а концы U-образных труб 15 расположены на концентрических окружностях. Вспомогательные корпусы, разделительные стенки и втулки практически разгружены от действия давления, т.к. воспринимают давление, не превышающее величину гидравлических потерь в образованных ими каналах. Поэтому они могут быть сделаны не только тонкостенными, но и иметь в поперечном сечении форму, отличную от окружности, в частности, шестигранную. Вариант такой конструкции показан на фиг.14. В этом теплообменнике прочностной корпус 38 сохранил цилиндрическую форму, а вспомогательные корпусы 41, разделительные стенки 14 и втулки 42 имеют шестигранную форму. Концы U-образных труб 15 расположены по сторонам соосных шестигранников.

Относительно большое расстояние между соседними трубными сборками обусловлено применением разъемных фланцевых соединений между трубными сборками и днищем 44 прочностного корпуса. При необходимости увеличить полезное использование внутреннего объема прочностного корпуса достаточно заменить фланцевые соединения на сварные. Равномерное распределение теплоносителя по межтрубным пространствам всех кассетных теплообменников обеспечивает коллекторный узел 36 (фиг.11), который состоит из тороидального коллектора 45 и раздаточной полости 46. На стенках 43 раздаточной полости установлены вспомогательные корпусы 41 и втулки 42, которые формируют межтрубное пространство 26 (фиг.8 и 9) кассетных теплообменников. Фланцы коллекторного узла одновременно являются частью стенок тороидального коллектора 45 (фиг.8, 9 и 11). При отсутствии жестких требований по равномерному распределению теплоносителя по межтрубным пространствам кассетных теплообменников можно исключить из конструкции коллекторного узла тороидальный коллектор 45 (соответственно убрать отверстия 47), а патрубок 2 установить непосредственно на цилиндрической стенке раздаточной полости.

Прочностные корпуса 3 (фиг.8 и 9) являются силовыми (несущими), и поэтому толщина их стенок рассчитывается по давлению и температуре теплоносителя в межтрубном пространстве. Продольный разрез прочностного корпуса изображен на фиг.12. По торцам цилиндрического прочностного корпуса 38 расположены фланцы 49 и 50. При этом фланец 50 сделан зацело с днищем 44. В днище 44 имеется семь гнезд 51 для установки трубных сборок 40. Отверстия 23 выполняют функцию дросселей и предназначены для обеспечения равномерного отвода теплоносителя из полости 52 между кассетными теплообменниками (фиг.8 и 9) в тороидальный коллектор 53 с патрубком 3 (фиг.8, 9 и 12). Полость 54 внутри крышки 39 (фиг.8 и 9) является общим коллектором для подвода теплоносителя в пучки U-образных труб всех трубных сборок 40 (кассетных теплообменников), расположенных под крышкой. Сама конструкция крышки 39 не требует пояснений, т.к. понятна из чертежа. Сбор теплоносителя из труб каждой трубной сборки 40 осуществляется индивидуально с помощью коллекторов 18. Сферический коллектор 55 через патрубки 8 и 56 собирает расходы теплоносителя, отводимые из теплообменных труб семи кассетных теплообменников. Во внешнюю магистраль теплоноситель из сферического коллектора отводится через патрубок 57. Подвод теплоносителя в межтрубное пространство всех кассетных теплообменников осуществляется из раздаточной полости 46 коллекторного узла 36 по втулкам (внутренним обечайкам) 42. Полость 52 между прочностным корпусом 38 и вспомогательными корпусами 41 фактически является коллектором для сбора теплоносителя из межтрубных пространств 26 кассетных теплообменников. В полость 52 теплоноситель из межтрубных пространств кассетных теплообменников поступает через кольцевые щели 58, а из нее через отверстия 23, тороидальный коллектор 53 и патрубок 3 теплоноситель выводится наружу теплообменника. Возможность многократного демонтажа трубных сборок 40 обеспечивают фланцевое крепление трубных сборок на днище 44 прочностного корпуса и гильзы 59, срезаемые при разборке и заменяемые на новые гильзы при сборке.

Замена единого теплообменника на небольшие по габаритам и полностью одинаковые кассетные теплообменники позволяет существенно облегчить изготовление, повысить качество контроля и испытаний наиболее важных узлов. Это повышает надежность работы теплообменника, что особенно важно для теплообменников, используемых в атомной энергетике. Возможность неоднократной разборки теплообменника на отдельные сборки и узлы, а также большая унификация конструкции обеспечивают удобство эксплуатации и ремонта. В частности, можно демонтировать любую из 14-ти трубных сборок 40 для визуального осмотра поверхностей труб и при необходимости произвести их очистку от отложений или целиком заменить дефектную трубную сборку на новую. О преимуществах теплообменника (кассетных теплообменников) по сравнению с прототипом сказано выше.

Теплообменник работает следующим образом. По патрубку 2 теплоноситель для межтрубных пространств кассетных теплообменников поступает в тороидальный коллектор 45, а затем через отверстия 47 попадает в раздаточную полость 46 коллекторного узла 36. Из полости 46 по втулкам 42 теплоноситель поступает в межтрубное пространство 14-ти кассетных теплообменников через кольцевые щели 60 между торцами втулки 42 и трубной решеткой 9. Попав в межтрубное пространство кассетного теплообменника, теплоноситель вначале течет по винтовому каналу центрального яруса 11, затем поворачивает на 180° вокруг торца разделительной стенки 14 и попадает в винтовой канал 12 внешнего яруса. Затем через кольцевую щель 58 (между днищем 44 прочностного корпуса и вспомогательным корпусом 41) теплоноситель поступает в полость 52, являющуюся, как отмечалось выше, по существу коллектором для сбора теплоносителя на выходе из межтрубного пространства 26 семи трубных сборок. Из полости 52 через отверстия 23 в прочностном корпусе теплоноситель попадает в тороидальный коллектор 53, а из него по патрубку 3 выводится из теплообменника. Подача теплоносителя в U-образные трубы 15 каждой из двух групп кассетных теплообменников (в каждой группе по семь кассетных теплообменников) осуществляется из своего коллектора 54 с патрубком 7. На выходе из труб каждого кассетного теплообменника теплоноситель собирается в коллекторе 18. Затем теплоноситель из коллекторов 18 семи кассетных теплообменников по патрубкам 8 и 56 собирается в сферическом коллекторе 55 и по патрубку 57 отводится во внешнюю магистраль.

Практически все узлы и детали теплообменника на фиг.8 имеют аналоги в конструкциях теплообменников, используемых в настоящее время в промышленности. Поэтому изготовление и сборка теплообменника ничем не отличаются от освоенных технологий. Единственное отличие от известных конструкций теплообменников состоит в применении винтовых перегородок вместо плоских поперечных (Григорьев В.А., Колач Т.А., Соколовский B.C., Темкин P.M. Краткий справочник по теплообменным аппаратам. М.-Л., «Государственное энергетическое издательство», 1962, стр.36, 40, 62, 67, 68, 85, 87, 92, 103, 119, 120, 123, 188, 189, 192, 193, 194, 210 и 211; Андреев М.М., Берман С.С., Буглаев В.Г., Костров Х.Н. Теплообменная аппаратура энергетических установок. М., «Государственное издательство машиностроительной литературы», 1963, стр.126, 127 и 150; Борисов Г.С., Брыков В.П., Дытнерский Ю.И. и др. Основные процессы и аппараты химической технологии. М., «Химия», 1991, стр.463; Фраас А., Оцисик М. Расчет и конструирование теплообменников. М., «Атомиздат», 1971, стр.11, 12, 170, 171, 258 и 347; Справочник по теплообменникам, том 2, М., «Энергоатомиздат», Перевод с английского под редакцией Мартыненко О.Г., Михалевича А.А. и Шикова В.К.,1987, стр.45-52, 55-60, 273-281) или плоских наклонных (Проспект нидерландской фирмы «ABB-Lummus Heat Transfer» спиральный теплообменник "Helixchanger"). Технология изготовления винтовых перегородок может быть различной. В случае изготовления винтовых перегородок из литейных сплавов на основе меди или алюминия может применяться литье под давлением. При использовании материалов с высокой температурой плавления может использоваться литье по выплавляемым моделям. Изготавливаемые по этим технологиям перегородки могут иметь любую длину (равную шагу, больше или меньше его) и любую форму винтовой поверхности (прямой и наклонный геликоиды (Посвянский А.Д. Краткий курс начертательной геометрии. М.,«Высшая школа», 1965, стр.135, 141-143, 195-197; Гордон В.О., Семенцов-Огиевский М.А. Курс начертательной геометрии. М., «Высшая школа», 2000, стр.157-160) и т.д.). При умеренных температурах теплоносителей винтовые перегородки, а также разделительные перегородки могут изготавливаться методом прессования или литья из пластмасс (Мирзоев Р.Г., Кугушев И.Д., Брагинский В.А. и др. Основы конструирования и расчета деталей из пластмасс и технологической оснастки для их изготовления. Л., «Машиностроение», 1972, стр.245-257). Отверстия в перегородках для прохода труб могут быть получены сразу в размер или иметь припуск для последующей механической обработки в кондукторе. Другой способ изготовления винтовых перегородок состоит в получении их из листового материала. Толщина листового материала выбирается равной требуемой толщине винтовой перегородки. Технология изготовления винтовых перегородок из листа предусматривает вначале раскрой из листа плоской заготовки, выполнение в ней отверстий с припуском, затем деформацию (растяжку) заготовки в винтовую спираль и, наконец, обработку отверстий в размер в кондукторе. Винтовые поверхности относятся к классу неразвертываемых поверхностей и поэтому не могут быть точно развернуты на плоскости (Посвянский А.Д. Краткий курс начертательной геометрии. М.,«Высшая школа», 1965, стр.135, 141-143, 195-197; Гордон В.О., Семенцов-Огиевский М.А. Курс начертательной геометрии. М., «Высшая школа», 2000, стр.157-160). Приближенно развертка одного витка винтовой перегородки с формой прямого геликоида может быть представлена в виде кольца с вырезом. Внешний и внутренний диаметры кольца, а также угол выреза рассчитываются по известным в начертательной геометрии формулам (Гордон В.О., Семенцов-Огиевский М.А. Курс начертательной геометрии. М., «Высшая школа», 2000, стр.157-160). При массовом производстве плоские заготовки могут изготавливаться методом штамповки. Применение штамповки в принципе позволяет одновременно с внешним контуром получать эллипсные отверстия в плоской заготовке, которые после деформации заготовки в винтовую перегородку примут (в плане) форму круглых отверстий для прохода труб. При мелкосерийном и единичном производстве отверстия для труб в винтовых перегородках могут изготавливаться с помощью механической обработки или с применением лазерных установок. Следует отметить, что окончательная обработка отверстий в размер по одному кондуктору всех составных элементов винтовой перегородки обеспечивает идеальную соосность отверстий во всей винтовой перегородке. Поэтому набивка винтовой перегородки трубами может быть как открытой (вне корпуса), так и закрытой (до набивки трубами винтовые перегородки вставлены в корпус, а затем корпус и трубные решетки свариваются между собой). Перед набивкой трубами отдельные элементы винтовой перегородки могут быть соединены в единую перегородку с помощью стяжек, распорок, втулки, центрального стержня, разделительных перегородок или другим способом. Необходимо также отметить, что применение лазерных установок с автоматической фокусировкой позволяет обрабатывать отверстия сразу в размер непосредственно в винтовых перегородках любой длины. Возможность изготовления винтовых перегородок из листового материала была подтверждена авторами на практике. Для водоводяных подогревателей по ГОСТ 27590-88 с наружным диаметром корпуса 168 и 325 мм вместо блоков опорных перегородок конструкции ОАО «САТЭКС» (Авторское свидетельство №941846, кл. F 28 F 9/22 и F 28 D 7/00, 1980, Степин Н.М., Беляков В.К., Сафонов А.М. и др., «Блок опорных перегородок для труб кожухотрубного теплообменника») была разработана конструкторская документация и изготовлены образцы винтовых перегородок и самого теплообменника. Изготовление перегородок и теплообменника не вызвало никаких проблем и подтвердило возможность их промышленного изготовления. Для сведения: испытания теплообменника показали, что коэффициент теплопередачи в нем в 1,5 раза выше, чем у теплообменников с блоком опорных перегородок по ГОСТ 27590-88. Если винтовые перегородки набраны из отдельных плоских сегментов, то технология их изготовления и сборка теплообменников с ними освоены в промышленности (Проспект нидерландской фирмы «ABB-Lummus Heat Transfer» спиральный теплообменник "Helixchanger").

Приведенные выше технологии изготовления винтовых перегородок применимы для теплообменников с любым количеством ярусов. Таким образом, возможность изготовления многоярусных теплообменников с винтовыми перегородками не вызывает сомнений. Поэтому заявляемое изобретение соответствует критерию «промышленная применимость».

Область применения теплообменника (фиг.8) достаточно широка (энергетика, нефтяная, химическая и газовая промышленность и т.д.), и в зависимости от назначения и условий эксплуатации возможны различные варианты модификации его конструкции. На фиг.15 и 16 изображены продольные разрезы теплообменников, основное отличие которых от теплообменника на фиг.8 состоит в конструкции коллекторного узла и прочностного корпуса. В теплообменнике на фиг.15 коллекторный узел для подачи теплоносителя в межтрубные пространства кассетных теплообменников самостоятельно не существует и образуется при сборке всего теплообменника. Раздаточную полость 46 коллекторного узла образуют цилиндрическая обечайка 61 с фланцами 62 по торцам и днища 63 прочностного корпуса 38. В остальном конструкция коллекторного узла такая же, как и у теплообменника на фиг.8. Отличие конструкции прочностного корпуса этого теплообменника от конструкции, изображенной на фиг.14, состоит в том, что в его состав вошло днище 63 с закрепленными на нем вспомогательными корпусами 41 и втулками 42.

При высоких температурах и давлениях теплоносителей, а также высоких требованиях по надежности целесообразно свести к минимуму количество разъемных соединений. Конструкция такого теплообменника представлена на фиг.16. В этом теплообменнике прочностной корпус 38 и коллекторный узел 36 выполнены без разъемных соединений между ними. В остальном конструкция теплообменника такая же, как у теплообменников на фиг.8 и 15.

Вторым примером возможного промышленного применения изобретения является вертикальный кожухотрубный конденсатор, продольный разрез которого изображен на фиг.17. В этом конденсаторе конденсация парообразного теплоносителя происходит в межтрубном пространстве. Конденсация может быть полной или частичной, а конденсируемый теплоноситель однокомпонентным, многокомпонентным с или без неконденсируемых компонент (Справочник по теплообменникам, том 2, М., «Энергоатомиздат», Перевод с английского под редакцией Мартыненко О.Г., Михалевича А.А. и Шикова В.К.,1987, стр.45-52, 55-60, 273-281). Конденсатор имеет двухъярусную конструкцию с разделительной стенкой между ярусами. Во внешнем ярусе 12 реализуется противоположно направленный многократно перекрестный ток, а в центральном 11 - однонаправленный многократно перекрестный ток. Основным элементом конструкции является цилиндрический корпус 1 с эллиптическими днищами 64 и 65. На днище 64 расположен патрубок 2 для ввода конденсируемого (парообразного) теплоносителя в межтрубное пространство 26. В межтрубном пространстве расположена двухъярусная (11-центральная, 12 - внешняя) винтовая перегородка с разделительной стенкой 14 между ярусами. Фиксацию от перемещений винтовой перегородки центрального яруса 11 обеспечивает жесткая связь со стержнем 13, а внешнего яруса 12 - с разделительной стенкой 14. Во внешнем ярусе теплоносители текут навстречу друг другу, и поэтому коэффициент теплопередачи в нем выше, чем в центральном ярусе, в котором реализовано однонаправленное течение теплоносителей. Поэтому для выравнивания скоростей конденсации в ярусах нужно соответствующим образом выбирать шаги винтовых перегородок в центральном и внешнем ярусах.

Охлаждающий теплоноситель течет в пучке U-образных труб 15, которые герметично установлены в трубную решетку 9. Подвод теплоносителя в трубы осуществляется из напорного коллектора 16, имеющего патрубок 7. Коллектор 18 с патрубком 8 обеспечивают отвод теплоносителя из пучка труб. Внутренние полости напорного 16 и сливного 18 коллекторов образованы днищем 65, трубной решеткой 9 и конусообразной стенкой 66. В разделительной стенке 14 имеется несколько поясов отверстий 67 (вместо отверстий можно делать окна любой формы или кольцевые зазоры), соединяющих между собой винтовые каналы центрального и внешнего ярусов. При большой разнице в скоростях конденсации в ярусах через отверстия будет происходить переток конденсируемого (парообразного) теплоносителя из винтового канала с его избытком в канал с его недостачей. Если скорости конденсации в центральном и внешнем ярусе во всем диапазоне режимов работы конденсатора незначительно отличаются между собой, разделительная стенка может быть выполнена без отверстий 67. При течении пара по винтовым каналам происходит его конденсация, и по этой причине происходит снижение объемного расхода пара, а соответственно и скорость поперечного обтекания труб. Чтобы поддерживать скорость поперечного обтекания труб постоянной, в данной конструкции конденсатора шаг винтовых перегородок в обоих ярусах сделан переменным. Он уменьшается по ходу течения конденсируемого теплоносителя (по мере уменьшения объемного расхода пара). Сконденсированный в жидкость теплоноситель выводится из межтрубного пространства через отверстия 23 в тороидальный коллектор 53, а из него по патрубку 3 отводится в конденсатоотводчик. Патрубок 68 предназначен для сдувок неконденсируемых компонент.

Конденсатор работает следующим образом. Через напорный 7 и сливной 8 патрубки осуществляется запитка охлаждающим теплоносителем пучка U-образных труб 15. Конденсируемый теплоноситель поступает в межтрубное пространство через патрубок 2. На холодных поверхностях труб обоих ярусов происходит конденсация пара в жидкость, которая в виде пленки стекает вниз по трубе до встречи с винтовой перегородкой. Небольшой зазор между трубами и отверстиями в винтовой перегородке препятствует дальнейшему течению жидкой пленки по трубе. Поэтому с труб жидкость перетекает на верхнюю поверхность винтовой перегородки и по ней стекает вниз межтрубного пространства (к трубной решетке 9). Через отверстия 23 жидкость поступает в коллектор 53, а из него по патрубку 3 отводится к конденсатоотводчику. Пленка конденсата на трубах является дополнительным термическим сопротивлением. Длина отрезков труб, на которых происходит конденсация пара до разрушения жидкой пленки, равна ширине винтового канала (шагу винтовой перегородки). Чем чаще разрушается пленка на трубах, тем интенсивнее идет процесс конденсации. С учетом этого обстоятельства для достижения большой производительности конденсатора целесообразно иметь небольшие расстояния между соседними лопастями. Этого можно достичь применением однозаходных винтовых перегородок с малым шагом или многозаходных винтовых перегородок с большим шагом.

В заключение описания конструкции и работы конденсатора следует отметить, что в принципе конденсатор может иметь любое количество ярусов, а трубы иметь интенсификаторы теплообмена (см. рассмотренные выше конструкции теплообменников). В рассмотренной конструкции конденсатора лопасти винтовых перегородок перпендикулярны (ϕ=90°) к оси конденсатора. Однако угол наклона лопастей ϕ может быть отличным от прямого угла. При ϕ<90° жидкость при течении по винтовой перегородке приобретает дополнительное направление течения - к оси конденсатора. Поэтому в центральном ярусе жидкость накапливается у стержня 13, а во внешнем ярусе - у разделительной стенки 14. Длина пути стекания жидкости у стержня и у разделительной стенки меньше, чем в других зонах винтовых перегородок. Благодаря этому жидкость будет быстрее стекать вниз. Если ϕ>90°, то жидкость в центральном ярусе будет собираться у разделительной стенки 14, а во внешнем ярусе у стенки корпуса. Для ускорения стекания жидкости вниз при ϕ>90° достаточно ввести зазор между винтовой перегородкой 11 центрального яруса и разделительной стенкой 14, а также ввести зазор между винтовой перегородкой 12 внешнего яруса и корпусом 1. Через зазоры жидкость будет стекать вниз по поверхности стержня и внутренней поверхности корпуса. При необходимости ускорить стекание жидкости при ϕ<90° можно ввести зазоры между стержнем 13 и винтовой перегородкой 11 центрального яруса, а также между разделительной стенкой 14 и винтовой перегородкой 12 внешнего яруса.

Изготовление узлов и деталей конденсатора аналогично рассмотренным выше технологиям изготовления теплообменников.

В рассмотренной конструкции конденсатора весь расход конденсируемого теплоносителя (пара) поступает со стороны входа в винтовые каналы обоих ярусов, а затем по винтовым каналам течет сверху вниз. Из-за большой протяженности винтовых каналов при больших расходах пара в такой конструкции конденсатора потери давления могут оказаться выше допустимой величины. Решением этой проблемы является переход к комбинированной схеме запитки паром винтовых каналов. Конструкция такого конденсатора приведена на фиг.18. Отличие конструкции этого конденсатора от конденсатора на фиг.17 состоит во введении в конструкцию специальных каналов для подвода пара в винтовые перегородки обоих ярусов по всей их высоте. Для винтовой перегородки центрального яруса этот канал 69 сделан по оси конденсатора, а для винтовой перегородки внешнего яруса он образован кольцевым зазором 70 между наружным диаметром винтовой перегородки 12 и корпусом 1. При такой организации подвода пара к теплообменным трубам значительно уменьшится расход пара, поступающего в винтовые каналы со стороны входа в них. Снижение расхода пара, текущего по винтовым каналам сверху вниз, приводит к требуемому уменьшению потерь давления. Узлы и детали в конденсаторах на фиг.17 и 18, имеющие одинаковые номера позиций, имеют одинаковую конструкцию и функциональное назначение (в конденсаторе на фиг.18 только отсутствует стержень 13). Поэтому описание конструкции конденсатора на фиг.18 не приводится. Отличие в работе конденсаторов состоит лишь в том, что приток пара к теплообменным трубам в конденсаторе на фиг.18 происходит не только со стороны самих винтовых каналов, но и из каналов 69 и 70.

Изобретение предназначено для применения в области теплоэнергетического оборудования, а именно в конструкциях теплообменных аппаратов, в энергетической, химической, нефтяной, газовой и металлургической промышленности, а также в других областях. Теплообменный аппарат содержит корпус, коллекторы с патрубками для подвода и отвода первого теплоносителя, патрубки для входа и выхода второго теплоносителя из корпуса и расположенный в нем пучок теплообменных труб с трубной решеткой, а также конструктивные элементы, расположенные в межтрубном пространстве для обеспечения поперечного обтекания вторым теплоносителем пучка труб снаружи, выполненные в виде винтовой перегородки, в которой сделаны отверстия для прохода пучка труб, внутри которых течет первый теплоноситель, причем теплообменный аппарат содержит две неподвижные трубные решетки, или одну неподвижную трубную решетку и плавающую головку, или одну неподвижную трубную решетку и U-образные трубы, причем винтовая перегородка выполнена многоярусной. Кроме того, между ярусами расположены разделительные стенки. Изобретение позволяет создать теплообменник с повышенной тепловой эффективностью и отсутствием непроизводительных (паразитных) гидравлических потерь. 1 з.п.ф-лы, 18 ил.

1.Теплообменный аппарат, содержащий корпус, коллекторы с патрубками для подвода и отвода первого теплоносителя, патрубки для входа и выхода второго теплоносителя из корпуса и расположенный в нем пучок теплообменных труб с трубной решеткой, а также конструктивные элементы, расположенные в межтрубном пространстве для обеспечения поперечного обтекания вторым теплоносителем пучка труб снаружи, выполненные в виде винтовой перегородки, в которой сделаны отверстия для прохода пучка труб, внутри которых течет первый теплоноситель, отличающийся тем, что теплообменный аппарат содержит две неподвижные трубные решетки, или одну неподвижную трубную решетку и плавающую головку, или одну неподвижную трубную решетку и U-образные трубы, причем винтовая перегородка выполнена многоярусной.2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что между ярусами расположены разделительные стенки.