СПОСОБ ТЕПЛООБМЕНА МЕЖДУ, ПО КРАЙНЕЙ МЕРЕ, ТРЕМЯ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯМИ И ТЕПЛООБМЕННИК ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2007 года по МПК F28D9/00 

Изобретение относится к системам отопления жилых и иных строений, а более конкретно к способу теплообмена между по крайней мере тремя теплоносителями и теплообменнику для его осуществления.

Известен способ тепловой подготовки воды по проточному принципу в два этапа, например, в жилых домах с внешним теплообеспечением (Цшеринг "Нагревание воды по проточному принципу против системы аккумуляции тепла - тенденции развития тепловых пунктов при сооружениях", доклад, прочитанный 19.02.1998 г. в Эссене по случаю открытия 13-ой ярмарки по вопросам технологии внешнего и местного подогрева воды). Обычно для этого со стороны обратной воды последовательно включают два запаянных пластинчатых теплонагревателя, причем первый этап использует обратную воду из системы отопления обслуживаемого сооружения, а второй этап работает на прямой воде из системы с внешним подогревом воды или из других тепловых источников, которую после второго этапа также подают на первый этап.

Целью двухэтапного режима подогрева обратной воды является более низкое охлаждение рециркулята из системы отопления перед ее повторным введением в систему с внешним подогревом путем использования охлаждающего потенциала обратной воды, подлежащей нагреву.

При этом в известной конструкции возникает потребность в дорогостоящих трубах между обоими теплообменниками, а также возникают большие потери давления и потребность в площади. Зимой при функционировании системы отопления и высокой температуре ее обратной воды работает только аппарат первого этапа охлаждения обратной воды, а второй этап используют лишь частично либо совсем не используют.

Для двухэтапного подогрева обратной воды невозможно заранее определить и серийно изготовить конструктивные элементы определенных типоразмеров, поскольку существует практически бесконечное количество вариантов для параметров, влияющих на конструкцию элементов системы отопления и подогрева обратной воды. Более того, каждую установку конструируют для конкретных условий эксплуатации. При этом возникают трудности в определении параметров и в выборе теплообменников, в частности, при распределении мощностей между этапами, связанные с недостатком общепринятых стандартов.

Для решения некоторых из названных проблем служит известный способ объединения в один аппарат обоих спаянных или свинченных пластинчатых теплообменников с целью двухэтапного подогрева воды (например, Зингер Н.М. и др. "Пластинчатые теплообменники в системах теплообеспечения", ж-л "Экономия топлива и электроэнергии", Москва, "Энергоатомиздат", 1995 г., стр.183-184). С его помощью можно частично упростить внешнее оснащение трубами путем объединения обоих теплообменников и их внутреннего гидравлического соединения. В свинченных аппаратах можно также в дальнейшем заменять количество пластин, а вследствие этого - эффективность теплообмена и распределение мощностей между этапами. Однако это приводит к повышению стоимости теплообменника по сравнению со спаянными аппаратами и к угрозе нарушения герметичности в свинченных пакетах пластин с уплотнением. Потребность в площади уменьшается незначительно, поскольку во всем свинченном аппарате должна быть предусмотрена возможность демонтажа пакета пластин.

Из области автомобилестроения известен теплообменник, использующий тепло отработанных газов с целью отопления (Заявка ФРГ 3103198). Этот теплообменник состоит из двух последовательно подключенных отдельных теплообменников с разными характеристиками. Общая мощность теплообмена согласуется с колебаниями выхода тепла и потребности в нем, в частности, путем уменьшения использования общей площади теплообменника. Для этого служит запорное устройство в форме регулирующего клапана в разделительной стенке впускных камер обоих отдельных теплообменников. Путем открывания регулирующего клапана отработанные газы могут в большей или меньшей мере обходить первый теплообменник, а при последовательном подключении обоих теплообменников - до 100%. Известный теплообменник служит для теплообмена между двумя теплоносителями, но для теплообмена между тремя теплоносителями он непригоден. Регулирующий клапан служит для уменьшения общей мощности теплообменника, между прочим, за счет того, что обходится первый из последовательно подключенных теплообменников. Это рекомендуется для согласования мощности теплообменника в грузовом автомобиле, но непригодно для наибольшего охлаждения теплоносителей.

Исходя из уровня техники, в основу изобретения поставлена задача создания такого способа и такого теплообменника для осуществления этого способа, с помощью которых можно было бы эффективнее организовать теплообмен между по крайней мере тремя теплоносителями.

В способе теплообмена между, по крайней мере, тремя теплоносителями, при котором смешивают между собой, по крайней мере, два из теплоносителей, согласно изобретению эта задача решается тем, что третий или каждый последующий теплоноситель вводят в пропускную полость теплообменника так, что он без предварительного смешивания со вторым теплоносителем попадает рядом со вторым теплоносителем в теплообменник и после этого в теплообменнике, по крайней мере, местами вытесняет второй теплоноситель, причем при необходимости во время работы или в состоянии покоя автоматически или вручную выбирают место введения третьего теплоносителя так, что третий теплоноситель при любом режиме эксплуатации отдает первому теплоносителю оптимальное количество тепла.

В теплообменнике для двух- или многоэтапного теплообмена между, по крайней мере, тремя теплоносителями, содержащем камеры для входа теплоносителей и теплопередающий теплообменный пакет, согласно изобретению поставленная задача решается тем, что, по крайней мере, к одной камере для входа присоединено два канала для подачи тепла, причем эта камера разделена на две впускные полости тщательно подогнанным разделительным устройством, которое проходит в пропускные каналы теплообменного пакета и выполнено с возможностью при необходимости во время работы или в состоянии покоя автоматически или вручную изменять угол наклона и/или глубину проникновения в пропускной канал.

Преимущества, которые могут быть получены заявленным способом, состоят, в частности, в том, что для теплообмена между, по крайней мере, тремя теплоносителями необходим лишь один теплообменник, по возможности серийного изготовления.

Для двухэтапного подогрева воды при использовании изобретения необходим лишь один заранее спаянный серийный пластинчатый теплообменник.

Благодаря целенаправленному размещению распределительного устройства в, по крайней мере, одной камере для входа теплообменника можно, по крайней мере, по одной из пропускных полостей теплообменного пакета пропускать два теплоносителя. При двухэтапном подогреве воды, например, благодаря наличию распределительного устройства в впускной полости для горячей воды в нее можно впускать как обратную воду, так и прямую воду из внешнего источника тепла. Путем регулирования количества прямой воды из внешнего источника тепла происходит автоматическое и плавное, а потому и оптимальное распределение площадей теплообменника для обоих потоков горячей воды. При этом несмотря на небольшие размеры пропускных каналов смешивания обоих потоков в пакете теплообменника практически не происходит, поскольку в камере для горячей воды имеет место безупречное распределение теплоносителей.

Вместе со вторым теплообменником отпадают также необходимость в трубах и в площади для него, а также потери давления. В целом достигают значительного упрощения цикла подогрева воды, сокращения сроков монтажа, а в результате значительного уменьшения затрат.

Появляется возможность создания типоразмеров для двухэтапного подогрева воды в соответствии с типоразмерами теплообменников. Выбор типоразмера становится намного проще.

Кроме того, подобное распределительное устройство можно предусмотреть в камере для входа, подающей обратную воду, чтобы получить отдельный канал для подачи рециркулированной обратной воды, которая с повышенной температурой поступает как свежая вода.

Предложенное распределительное устройство может применяться в спаянных либо свинченных пластинчатых теплообменниках, в полости корпуса или трубы в теплообменниках, составленных из пакета труб, в спиральных теплообменниках и при других конструкциях теплообменников.

Возможны другие случаи применения двух- или многоэтапных теплообменников с подобными теплоносителями при изменяющихся или постоянных показателях расходуемого потока.

Вариант конструкции согласно изобретению позволяет, по крайней мере, в одну пропускную полость теплообменников одновременно вводить, по крайней мере, два теплоносителя путем размещения, по крайней мере, еще одной дополнительной впускной камеры.

Другой вариант конструкции гарантирует, что теплоносители проходят через камеру для входа (камеры) несмешанными в наибольшей степени.

Согласно другому выполнению изобретения распределительное устройство может иметь форму трубы.

Примеры осуществления изобретения изображены на чертежах и пояснены ниже более подробно.

Фиг.1 изображает серийный теплообменник.

Фиг.2 изображает теплообменник 1 со стандартными камерами 2 для входа и выхода теплоносителей, с теплообменным пакетом 3, который передает тепло, и с дополнительной камерой 9.

Фиг.3 изображает теплообменник 1 со стандартными камерами 2 для входа и выхода теплоносителей, с теплообменным пакетом 3, который передает тепло, и с дополнительным распределительным устройством 4 в виде трубы.

Серийный теплообменник 1, например пластинчатый, состоит из камер 2, которые подводят и отводят теплоносители, и теплообменного пакета 3, причем в одну из камер 2 дополнительно введено языкообразное распределительное устройство 4 с распоркой 4а, которое имеет гребенчатую форму у своих продольных сторон и проходит в соответствующие проточные каналы, причем ширина зубцов распределительного устройства 4 соответствует ширине каналов теплообменника, а расстояния между зубцами - толщине листов, из которого изготовлен пакет 3. К образованным впускным полостям 5 и 6 отдельно присоединены два канала 7 и 8 для подачи теплоносителей.

Теплообменник 1 работает как двухэтапный подогреватель воды следующим образом.

Подлежащую нагреву воду с температурой 5°С подают через одну из камер 2 для входа теплоносителей, например нижнюю, к теплообменнику 1, затем вода протекает по соответствующим каналам теплообменного пакета 3 и снова собирается в противоположной верхней камере 2, подогретой до 50°С. Для предварительного нагрева подлежащей подогреву воды служит обратная вода из системы отопления с температурой 40°С, которая через канал 8 для подачи теплоносителя и впускную полость 6 поступает в соответствующие пропускные каналы. Для последующего подогрева служит прямая вода из внешнего источника нагревания с температурой 78°С, которая через канал 7 для подачи теплоносителя и впускную полость 5 попадает в те же самые пропускные каналы. Языкообразное распределительное устройство 4, размещенное в этой впускной камере 2, предохраняет оба теплоносителя от смешивания перед их введением в пропускные каналы. Для этого языкообразное распределительное устройство 4 плотно прилегает к внутренней стенке камеры 2 и своими зубцами по обеим сторонам входит в пропускные каналы. Поскольку языкообразное распределительное устройство 4 входит своими зубцами в пропускные каналы, оно разделяет поперечное сечение камеры 2 на два неравных сегмента. Меньший сегмент предназначен для прямой воды из внешнего источника тепла, которая служит теплоносителем с более высоким предыдущим давлением и меньшим расходом, а больший сегмент служит для обратной воды из системы отопления с более низким предыдущим давлением и большим расходом. Чтобы прямая вода из наружного источника тепла с ее более высоким давлением не оттесняла языкообразное распределительное устройство 4 в направлении впускной полости 6 для обратной воды с более низким давлением, языкообразное распределительное устройство 4 на стороне впускной полости 6 имеет дополнительную распорку 4а. Языкообразное распределительное устройство 4 размещено в камере 2 для входа под таким углом, что как можно большая площадь теплообменного пакета 3 покрывается обратной водой. Это особенно выгодно тогда, когда температура обратной воды является достаточной для подогрева воды, и нет нужды в дополнительной прямой воде из внешнего теплового источника.

Для нагревания прежде всего служит обратная вода из системы отопления. Лишь остаток тепла, необходимый для достижения желаемой конечной температуры подогретой воды, вводят с помощью прямой воды из внешнего теплового источника. Она поступает через канал 7 для подачи теплоносителя и через впускную полость 5 дополнительно в соответствующие пропускные каналы, где она как поршень вытесняет обратную воду системы отопления. Таким образом почти автоматически возникает определенное преимущество подогретой воды перед обратной водой из системы отопления. Смешивание в пропускных каналах практически отсутствует благодаря их малым размерам в несколько миллиметров. В зависимости от количественного соотношения прямая вода покрывает возле ее выхода большую или меньшую площадь теплообменного пакета 3. Охлажденные примерно до температуры обратной воды, то есть до 50°С, оба теплоносителя теперь идут параллельно через пропускные каналы к противоположной выходной камере 2, где они смешиваются и выходят при температуре 27°С.

В отличие от приведенного выше примера выполнения теплообменник 1 может выгодно использоваться как одноступенчатый водонагреватель.

Питьевая вода, подлежащая нагреву, с температурой 5°С вводится в теплообменник 1 через верхнюю камеру 2, проходит соответствующие каналы теплообменного пакета 3 и собирается снова в боковой камере 2, нагретая до 50°С. Через дополнительную камеру 9 в те же каналы отдельно подают воду рециркуляции из домовой сети с температурой примерно 45°С. Для нагрева служит вода подачи из тепловой сети с температурой 78°С, которая попадает в другие теплообменивающие каналы через нижнюю камеру 2. Камеры 2 и 9 настолько отдалены друг от друга, что гарантировано достигается то, что оба теплоносителя непосредственно при входе в каналы не смешиваются один с другим. Большая камера 2 предназначена для подачи в качестве теплоносителя холодной воды, имеющей большее давление и больший расход, меньшая камера 9 предназначена для подачи воды рециркуляции, имеющей меньшее давление и меньший расход. Камеры 2 и 9 установлены таким образом, чтобы холодной водой омывалась по возможности большая часть поверхности пакета. Это нужно для того, чтобы холодная вода максимально охлаждала обратную в тепловую сеть воду и высокая температура воды рециркуляции этому не противодействовала. А это происходит в известных одноступенчатых водонагревателях, в которых потоки холодной питьевой воды и теплой воды рециркуляции перед входом в теплообменник смешивают, и поэтому обратная в тепловою сеть вода не может охлаждаться до более низкой температуры, чем той, которая образовалась при смешении на холодной стороне.

При потреблении питьевая вода течет через камеру для входа 2 теплоносителя дополнительно в теплообменивающие каналы, где поршнеобразно вытесняет воду рециркуляции. Таким образом, даже небольшие количества потребляемой горячей воды приведут к желаемому переохлаждению обратной воды. Одновременно практически автоматически получается некоторое преобладание горячей воды перед водой рециркуляции. Это принципиально не плохо, поскольку при максимальном потреблении горячей воды рециркуляция практически не требуется, поскольку при этом на всех местах отбора горячая вода и так есть.

Смешивание питьевой воды и воды рециркуляции в теплообменивающих каналах практически не происходит из-за их малых размеров (несколько миллиметров). В зависимости от соотношений расходов и давлений вода рециркуляции омывает большую или меньшую часть той поверхности пакета, которая находится около выхода теплой воды. Оба потока теплоносителей текут параллельно через каналы к боковой камере 2, из которой они выходят смешанными в виде горячей воды с температурой 50°С.

Изобретение предназначено для теплообмена и может быть использовано в системах отопления. Способ теплообмена между, по крайней мере, тремя теплоносителями в теплообменнике заключается в том, что смешивают между собой, по крайней мере, два из теплоносителей, при этом третий или каждый последующий теплоноситель сначала вводят в те же каналы пропускной полости теплообменника, в которые вводят и второй теплоноситель, без предварительного смешивания с ним так, что второй теплоноситель, по крайней мере, местами вытесняется третьим и каждым последующим теплоносителем, и после этого теплоносители пропускают параллельно один другому практически без смешивания через пропускную полость теплообменника. При необходимости во время работы или в состоянии покоя автоматически или вручную выбирают место введения третьего и каждого последующего теплоносителя так, что между теплоносителями при любом режиме эксплуатации передается оптимальное количество тепла. Теплообменник для двух- или многоступенчатого теплообмена между, по крайней мере, тремя теплоносителями содержит камеры для входа и выхода теплоносителей и теплопередающий теплообменный пакет. По крайней мере, к одной камере для входа теплоносителей присоединены два канала для подачи теплоносителей, причем эта камера разделена на две впускные полости плотно прилегающим к ее внутренней стенке разделительным устройством, которое проходит в пропускные каналы теплообменного пакета и при необходимости выполнено с возможностью во время работы или в состоянии покоя автоматически или вручную изменять угол наклона и/или глубину проникновения в пропускной канал. К теплообменному пакету для подачи каждого последующего теплоносителя подключена одна дополнительная камера для входа теплоносителей. Камеры для входа и выхода теплоносителей и дополнительная камера для входа теплоносителей выполнены с обеспечением параллельной подачи теплоносителей в пропускные каналы теплообменного пакета без предварительного их смешивания. Изобретение обеспечивает эффективную организацию теплообмена между теплоносителями. 3 н. и 5 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Способ теплообмена между, по крайней мере, тремя теплоносителями в теплообменнике, при котором смешивают между собой, по крайней мере, два из теплоносителей, отличающийся тем, что третий или каждый последующий теплоноситель сначала вводят в те же каналы пропускной полости теплообменника, в которые вводят и второй теплоноситель, без предварительного смешивания с ним так, что второй теплоноситель, по крайней мере, местами вытесняется третьим и каждым последующим теплоносителем, и после этого теплоносители пропускают параллельно один другому практически без смешивания через пропускную полость теплообменника, причем при необходимости во время работы или в состоянии покоя автоматически или вручную выбирают место введения третьего и каждого последующего теплоносителя так, что между теплоносителями при любом режиме эксплуатации передается оптимальное количество тепла.2. Теплообменник (1) для двух- или многоступенчатого теплообмена между, по крайней мере, тремя теплоносителями, содержащий камеры (2) для входа и выхода теплоносителей и теплопередающий теплообменный пакет (3), отличающийся тем, что, по крайней мере, к одной входной камере для входа теплоносителей (2) присоединены два канала (7, 8) для подачи теплоносителей, причем эта камера разделена на две впускные полости (5, 6) плотно прилегающим к ее внутренней стенке разделительным устройством (4), причем это разделительное устройство проходит в пропускные каналы теплообменного пакета (3) и при необходимости выполнено с возможностью во время работы или в состоянии покоя автоматически или вручную изменять угол наклона и/или глубину проникновения в пропускной канал.3. Теплообменник по п.2, отличающийся тем, что разделительное устройство (4) имеет форму гребенки с зубцами, входящими в пропускные каналы.4. Теплообменник по п.2, отличающийся тем, что распределительное устройство (4) имеет форму трубы.5. Теплообменник (1) для осуществления способа по п.1 для двух - или многоступенчатого теплообмена между, по меньшей мере, тремя теплоносителями, в котором смешивают между собой, по меньшей мере, два теплоносителя, содержащий камеры (2) для входа и выхода теплоносителей и теплопередающий теплообменный пакет (3), причем к теплообменному пакету для подачи каждого последующего теплоносителя подключена одна дополнительная камера (9) для входа теплоносителей, отличающийся тем, что камеры (2) и дополнительная камера (9) для входа теплоносителей выполнены с обеспечением параллельной подачи теплоносителей в пропускные каналы теплообменного пакета (3) без предварительного их смешивания.6. Теплообменник по п.5, отличающийся тем, что, по крайней мере, к одной камере для входа теплоносителей (2, 9) присоединено два канала для подачи теплоносителей, причем эта камера разделена на две впускные полости плотно прилегающим к ее внутренней стенке разделительным устройством, причем это разделительное устройство может проникать в пропускные каналы теплообменного пакета и выполнено с возможностью при необходимости во время работы или в состоянии покоя автоматически или вручную изменять угол наклона и/или глубину проникновения в пропускной канал.7. Теплообменник по п.6, отличающийся тем, что разделительное устройство имеет форму гребенки с зубцами, входящими в пропускные каналы.8. Теплообменник по п.6, отличающийся тем, что разделительное устройство имеет форму трубы.