ТЕПЛООБМЕННИК Российский патент 2005 года по МПК F28D7/00 

Изобретение относится к области теплотехники, а именно к теплообменным аппаратам, работающим преимущественно на накипеобразующих средах, и направлено на создание самоочищающихся теплообменных аппаратов.

Известны теплообменные аппараты из полимерных материалов с трубами, подключенными к коллекторам подвода и отвода теплообменивающихся сред, причем каждая труба выполнена за одно целое с размещенными в ней пересекающимися продольными перегородками, образующими отсеки, заглушенные через один с торцов. Заглушенные отсеки имеют на боковой поверхности отверстия для подсоединения к кольцевым коллекторам подвода и отвода одной из теплообменивающихся сред. Перегородки выполнены оребренными или гофрированными, а в отсеках расположены рифленые вставки (А.С. СССР №357446, МПК F 28 F 21/06, опубл.31.10.72).

Однако указанные теплообменные аппараты не могут эффективно работать на средах, содержащих различные примеси, поскольку наличие оребренных элементов конструкции и рифленых вставок способствует осаждению на них отложений, забивающих отсеки и другие полости теплообменника.

Известны также теплообменные аппараты для содержащих накипеобразующие примеси рабочих сред, включающие корпус, в котором размещены теплопередающие элементы, выполненные из термочувствительного материала с обратимым мартенситным превращением, имеющие две предельные формы, причем кривизна поверхности элемента в одной предельной форме отличается от кривизны поверхности этого элемента в другой предельной форме (А.С. СССР №1778490, МПК F 28 F 19/00, опубл.30.11.92).

Однако работоспособность таких теплообменных аппаратов по разрушению слоя накипи зависит от наличия перепада температур. Требуется дорогостоящий материал, обладающий эффектом "памяти", причем этот материал реагирует только на изменения температуры и не чувствителен к изменениям других параметров рабочей среды, например к перепадам давления.

Известен также теплообменник, содержащий размещенный в кожухе пучок труб, закрепленных в трубных досках, и поперечные перегородки с радиальными разрезами и отогнутыми в противоположные стороны от линии разреза смежными участками поверхностей, при этом разрезы на перегородках выполнены разной длины, причем перегородки с разрезами большей длины установлены первой и последней по длине пучка и между перегородками с разрезами меньшей длины (А.С. СССР №1580137, МПК F 28 F 9/22. F 28 D 7/00, опубл.23.07.90).

Однако известный теплообменник имеет следующие недостатки:

а) не производится самоочистка труб и внутренней поверхности теплообменника; б) в результате отложения накипи в полости теплообменника снижается его производительность; в) необходимо периодически отключать теплообменник для проведения его очистки; г) не обеспечивается эффективный теплообмен не только из-за образования накипи, но и из-за исключения существенных колебаний труб; д) в зоне крепления труб к трубным доскам возникают большие концентрации напряжений, что приводит к существенному уменьшению срока службы теплообменника.

Задачей изобретения является повышение эффективности самоочистки теплообменника и интенсификация теплообмена, улучшение деформационных характеристик теплообменника, увеличение его надежности и долговечности.

Поставленная задача решается тем, что в теплообменнике, содержащем размещенный в кожухе пучок труб, закрепленных в трубных досках, трубные доски изготовлены в виде гибких гофрированных пластин, имеющих высокую деформационную способность. Гофрированные пластины обычно выполнены из пружинной стали. Профиль гофр выполнен по сложной линии, в частности имеет волнообразную, например, синусоидальную форму, треугольную (пилообразную), трапецеидальную, прямоугольную, полукруглую или другие смешанные формы. При этом складки гофр могут иметь как постоянные, так и переменные шаг и амплитуду. Возможно также чередование постоянного шага с переменной амплитудой или переменного шага с постоянной амплитудой. Одна из трубных досок может быть плоской. Трубы прикреплены к трубным доскам в области вершин гофр, выступающих в сторону полости расположения труб. Для теплообменников круглого поперечного сечения трубные доски изготовлены в виде дисков, гофры которых расположены концентрично.

На фиг.1 представлен общий вид теплообменника с гофрированными трубными досками;

на фиг.2 - общий вид теплообменника, у которого одна трубная доска выполнена гофрированной, а другая - плоской;

на фиг.3 изображено поперечное сечение А-А теплообменника по фиг.1 и 2;

на фиг.4 показан вариант исполнения гофр трубной доски волнообразной, например, синусоидальной формы (с постоянным шагом и амплитудой);

на фиг.5 - то же, с переменным шагом и амплитудой;

на фиг.6 показан вариант исполнения гофр трубной доски трапецеидальной формы;

на фиг.7 представлен вид В по фиг.6;

на фиг.8 представлен вариант исполнения трубной доски смешанной формы (трапеции чередуются с треугольными складками);

на фиг.9 - вид Г по фиг.8;

на фиг.10 - трубная доска со складками гофр прямоугольной формы;

на фиг.11 - вид Д по фиг.10.

Теплообменник содержит кожух 1 с патрубками ввода 2 и вывода 3 межтрубной среды. Кожух 1 закрыт крышкой 4 с патрубком 5 ввода трубной среды и крышкой 6 с патрубком 7 вывода трубной среды. Внутри кожуха 1 на входе трубной среды закреплена трубная доска 8, а на выходе трубной среды закреплена трубная доска 9. Трубные доски изготовлены в виде гибких гофрированных пластин, имеющих высокую деформационную способность. Гофрированные пластины обычно выполнены из пружинной стали.

Профиль гофр выполнен по сложной линии, в частности, имеет волнообразную, например, синусоидальную форму, треугольную (пилообразную), трапецеидальную, прямоугольную, полукруглую (не показана) или другие смешанные (например, трапеция чередуется с треугольными складками по фиг.8, и другие) формы.

Возможен вариант исполнения гофрированной только одной трубной доски (например, трубной доски 8), при этом другая трубная доска выполнена плоской (например, трубная доска 9). При круглом поперечном сечении теплообменника трубные доски представляют собой гофрированные гибкие диски, гофры которых расположены концентрично.

На трубных досках 8 и 9 размещен пучок труб 10, которые своими концами закреплены в трубных досках 8 и 9, преимущественно в области вершин гофр, выступающих в сторону полости расположения труб.

Профили (складки) гофр могут иметь как постоянные, так и переменные шаг и амплитуду. В частности, более крупные гофры расположены на периферии. Возможно также чередование постоянного шага с переменной амплитудой или переменного шага с постоянной амплитудой.

В простейшем случае профили гофр могут иметь постоянные шаг и амплитуду, например, в виде синусоиды.

При необходимости дополнительно в теплообменнике могут быть установлены поперечные перегородки 11.

Теплообменник работает следующим образом.

Трубная среда поступает через патрубок ввода 5 и попадает в пространство между крышкой 4 и трубной доской 8. Далее трубная среда проходит через пучок труб 10, попадает в пространство между трубной доской 9 и крышкой 6 и выводится через патрубок 7.

Межтрубная среда входит через патрубок ввода 2 в полость кожуха 1, омывает пучок труб 10 и выходит через патрубок вывода 3. При этом осуществляется теплообмен между трубной средой и межтрубной средой. Поперечные перегородки 11 могут изменять направление потока межтрубной среды.

В процессе работы вследствие изменения перепадов температур, давления среды и других факторов трубные доски и трубы деформируются и изменяют свои геометрические параметры. Наличие гибких гофрированных трубных досок способствует увеличению деформационной способности труб как в продольном (удлинение труб), так и в поперечном (изменение размеров поперечного сечения труб) направлениях. Деформирование продольной оси каждой трубы и изменение поперечного сечения трубы способствуют разрушению накипи на поверхностях элементов теплообменника и процессу самоочищения.

Возникающие колебания и автоколебания труб также приводят к предотвращению образования накипи и отслоению отложений, образовавшихся ранее.

Кроме того, происходит интенсификация теплообмена за счет движения поверхности труб и гофр трубных досок в межтрубной среде.

Крепление труб к гофрированной пластине способствует уменьшению концентрации напряжений на стыке, что приводит к значительному увеличению надежности и долговечности конструкции теплообменника.

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет повысить эффективность самоочистки теплообменника, надежность его работы, улучшить деформационные характеристики элементов теплообменника и интенсифицировать процесс теплообмена.

Изобретение предназначено для теплообмена и может быть использовано в теплотехнике. Теплообменник преимущественно круглого поперечного сечения содержит размещенный в кожухе пучок труб, закрепленных в трубных досках. Трубные доски изготовлены в виде гофрированных гибких дисков, гофры которых расположены концентрично и имеют высокую деформационную способность. Изобретение обеспечивает повышение эффективности самоочистки теплообменника и надежности его работы, улучшение деформационных характеристик элементов теплообменника и интенсификации процесса теплообмена. 12 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Теплообменник, преимущественно круглого поперечного сечения, содержащий размещенный в кожухе пучок труб, закрепленных в трубных досках, отличающийся тем, что трубные доски изготовлены в виде гофрированных гибких дисков, гофры которых расположены концентрично и имеют высокую деформационную способность.2. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что складки гофр имеют переменные шаг и амплитуду.3. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что складки гофр имеют постоянные шаг и амплитуду.4. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что складки гофр имеют постоянный шаг и переменную амплитуду.5. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что складки гофр имеют переменный шаг и постоянную амплитуду.6. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что профиль гофр имеет волнообразную форму.7. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что профиль гофр имеет синусоидальную форму.8. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что профиль гофр имеет полукруглую форму.9. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что профиль гофр имеет пилообразную форму.10. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что профиль гофр имеет трапецеидальную форму.11. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что профиль гофр имеет прямоугольную форму.12. Теплообменник по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, отличающийся тем, что трубы прикреплены к трубным доскам в области вершин гофр, выступающих в сторону полости расположения труб.13. Теплообменник по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, или 7, или 8, или 9, или 10, или 11, отличающийся тем, что трубные доски изготовлены из пружинной стали.