ТЕПЛООБМЕННИК АСТАНОВСКОГО РАДИАЛЬНО-СПИРАЛЬНОГО ТИПА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2009 года по МПК F28D9/04 

Изобретение относится к аппаратам для проведения теплообменных процессов и может быть использовано в промышленности, на транспорте, в быту для передачи теплоты от одного теплоносителя к другому.

Традиционно процесс теплообмена осуществляют в теплообменниках, в которых передача теплоты от одного теплоносителя к другому осуществляется через стенку из теплопроводящего материала, которая служит поверхностью теплообмена.

В основном применяются теплообменники кожухотрубные, пластинчатые, спиральные, труба в трубе и т.д.

При сопоставлении теплообменников различных типов в первую очередь принимаются во внимание такие показатели, как массогабаритные характеристики, ограничения по пределам расходов, давлений и температур рабочих сред, а также величина потерь давления рабочих сред при прохождении через аппарат.

Из перечисленных выше типов серийно выпускаемых теплообменников наилучшими массогабаритными характеристиками обладают пластинчатые теплообменники, представляющие собой набор плоских гофрированных пластин, объединенных в пакет с помощью сварки (пайки) или уплотнительных прокладок (Промышленная теплоэнергетика и теплотехника. Справочник, кн.4. М: Энергоатомиздат, 1991, с.166).

Недостатком таких теплообменников является то, что их применение ограничено предельными значениями температуры и давления, равными соответственно: для разборных теплообменников 180°С и 1,0 МПа, для теплообменников со сварными панелями 400°С и 2,5 МПа, а для цельносварных теплообменников 400°С и 4,0 МПа (Промышленная теплоэнергетика и теплотехника. Справочник, кн.4. М.: Энергоатомиздат, 1991, с.168).

Кроме того, теплообменники этого типа имеют ограничения по расходам рабочих сред, а обе полости имеют высокое гидравлическое сопротивление, что препятствует их использованию в системах с низконапорными средами, например в установках воздушного охлаждения, аппаратах, предназначенных для рекуперации теплоты отходящих дымовых газов и др.

Наиболее близким к изобретению является выбранный в качестве прототипа теплообменник радиально-спирального типа, содержащий вертикальный цилиндрический корпус с патрубками подвода и отвода теплоносителей, внутри которого установлен один или несколько (один над другим) блоков теплообменных элементов. Каждый блок сформирован из теплообменных элементов, представляющих собой попарно сваренные по контуру гофрированные стенки, имеющие в поперечном сечении форму спирали Архимеда и образующие внутренний радиально-спиральный щелевой канал для одного из теплоносителей (радиально-спиральный поток). Теплообменные элементы прилегают друг к другу, образуя благодаря гофрам наружные вертикальные щелевые каналы для второго теплоносителя (аксиальный поток). Если теплообменник содержит более одного блока теплообменных элементов, то каждый блок снабжен патрубками для ввода и отвода теплоносителя, прокачиваемого через внутренний радиально-спиральный канал (RU 2075020, с пр. от 30.05.1995, F28D 7/04, 9/00). Теплообменники радиально-спирального типа допускают использование (с учетом выбора конструкционных материалов) в диапазоне температур от минус 270 до плюс 1100°С и давлений до 10,0 МПа и имеют в аксиальном потоке весьма небольшие потери давления.

К недостаткам этого теплообменника относятся следующие:

- для прокачки первого теплоносителя последовательно через несколько блоков необходимо выводить теплоноситель за пределы корпуса через патрубок отвода предыдущего блока и возвращать его во внутреннюю полость корпуса через патрубок подвода теплоносителя последующего блока, что приводит к дополнительной потере давления потока и увеличению расхода энергии на его прокачку через теплообменник;

- при установке нескольких блоков один над другим высота теплообменника может оказаться неприемлемой по условиям размещения в производственном помещении с ограниченной высотой;

- поскольку аксиальный поток проходит последовательно через все блоки, гидравлическое сопротивление этого тракта может превысить допустимое по условиям эксплуатации значение, особенно при увеличении расхода теплоносителя, либо приведет к повышенному расходу энергии на прокачку.

Задачами настоящего изобретения являются уменьшение гидравлического сопротивления и потерь давления радиально-спирального потока теплоносителя и снижение расхода энергии на его прокачку последовательно через два или более блоков теплообменных элементов, а также создание варианта теплообменника радиально-спирального типа с уменьшенным гидравлическим сопротивлением аксиального потока и уменьшенной высотой для использования в производственных помещениях с ограниченной высотой.

Поставленные задачи решаются путем создания следующих вариантов конструкции теплообменника.

Вариант 1.

В теплообменнике радиально-спирального типа, содержащем вертикальный цилиндрический корпус с патрубками подвода и отвода теплоносителей, внутри корпуса вдоль вертикальной оси установлены один над другим два или более блоков теплообменных элементов с образованием периферийного кольцеобразного и центрального цилиндрического распределительных коллекторов;

каждый блок сформирован из вертикально установленных, примыкающих друг к другу теплообменных элементов, сваренных между собой вертикальными швами и образующих кольцевой ряд вокруг вертикальной оси корпуса;

каждый теплообменный элемент выполнен полым и представляет собой две сваренные по двум горизонтальным сторонам стенки с дистанционирующими выступами, имеющие в поперечном сечении форму спирали Архимеда и образующие во внутренней полости радиально-спиральный щелевой канал для одного из теплоносителей, причем внутренние полости спиралевидных теплообменных элементов всех блоков сообщаются с периферийным и центральным распределительными коллекторами;

теплообменные элементы каждого блока прилегают друг к другу, образуя благодаря наличию дистанционирующих выступов наружные вертикальные щелевые каналы для перемещения в аксиальном направлении второго теплоносителя;

между смежными блоками теплообменных элементов поочередно в периферийном и центральном распределительных коллекторах установлены горизонтальные перегородки, которые разделяют каждый из распределительных коллекторов на отдельные изолированные полости и, препятствуя движению потока теплоносителя вдоль распределительного коллектора, направляют его после истечения из внутренних полостей теплообменных элементов одного блока во внутренние полости теплообменных элементов последующего блока.

Благодаря такой конструкции теплообменника для прокачки теплоносителя последовательно через два или более блоков в отличие от прототипа нет необходимости выводить поток теплоносителя после первого блока через патрубок за пределы корпуса и вновь подавать его через другой патрубок в следующий блок, что позволяет существенно снизить гидравлическое сопротивление и потери напора теплоносителя, а также уменьшить расход энергии на прокачку этого теплоносителя через теплообменник.

Кроме того, для дополнительного уменьшения потерь напора теплоносителя, перемещающегося в радиально-спиральном направлении, предпочтительно каждый последующий блок выполнять с противоположным по сравнению с предыдущим блоком направлением кривизны теплообменных элементов. В этом случае при перетоке теплоносителя из одного блока в другой сохраняется направление закрутки потока, благодаря чему снижаются потери напора.

Кроме того, для использования эффекта от вращения Земли предпочтительно такие теплообменники выполнять с кривизной теплообменных элементов, обеспечивающей закрутку потока теплоносителя против часовой стрелки в теплообменниках, предназначенных для применения в северном полушарии Земли, и по часовой стрелке - для применения в южном полушарии.

Вариант 2.

В теплообменнике радиально-спирального типа, содержащем вертикальный цилиндрический корпус с патрубками подвода и отвода теплоносителей, внутри корпуса концентрично относительно вертикальной оси установлены два или более блоков теплообменных элементов с образованием центрального цилиндрического, а также промежуточных кольцеобразных и периферийного кольцеобразного распределительных коллекторов;

каждый блок сформирован из вертикально установленных, примыкающих друг к другу теплообменных элементов, сваренных между собой вертикальными швами и образующих кольцевой ряд вокруг вертикальной оси корпуса;

каждый теплообменный элемент выполнен полым и представляет собой две сваренные по двум горизонтальным сторонам стенки с дистанционирующими выступами, имеющие в поперечном сечении форму спирали Архимеда и образующие во внутренней полости радиально-спиральный щелевой канал для одного из теплоносителей, причем внутренние полости спиралевидных теплообменных элементов всех блоков в зависимости от расположения блока относительно вертикальной оси корпуса сообщаются с центральным и промежуточным, с двумя промежуточными или с промежуточным и периферийным распределительными коллекторами;

теплообменные элементы каждого блока прилегают друг к другу, образуя благодаря наличию дистанционирующих выступов наружные вертикальные щелевые каналы для второго теплоносителя.

В случае, если в процессе теплообмена должны участвовать только два теплоносителя (один из них создает радиально-спиральный поток, а второй - аксиальный поток), то радиально-спиральные каналы всех блоков, установленных в теплообменнике, сообщаются между собой через промежуточные распределительные коллекторы, а патрубки подвода и отвода теплоносителя, прокачиваемого в радиально-спиральном направлении, подсоединены к центральному и периферийному распределительным коллекторам, благодаря чему первый теплоноситель проходит последовательно по внутренним полостям всех блоков. Кроме того, для минимизации гидравлических потерь теплообменные элементы всех блоков предпочтительно должны иметь одинаковое направление кривизны.

Если же в теплообмене должны участвовать более двух теплоносителей, а следовательно, через радиально-спиральные каналы разных блоков должны прокачиваться различные теплоносители, то в каждом промежуточном распределительном коллекторе должна быть установлена вертикальная цилиндрическая перегородка, разделяющая коллектор на две полости, каждая из которых сообщается с радиально-спиральными каналами теплообменных элементов прилегающего блока, а каждый блок снабжен своими патрубками для подвода и отвода теплоносителя, перемещающегося в радиально-спиральном направлении.

Конструктивное решение теплообменника по варианту 2 позволяет увеличить площадь проходного сечения аксиального потока, а следовательно, существенно снизить гидравлическое сопротивление и потери напора этого потока теплоносителя, а кроме того, уменьшить по сравнению с вариантом 1 высоту теплообменника.

Кроме того, для дополнительного уменьшения потерь напора этого теплоносителя возможно аналогично конструкции по варианту 1 использовать эффект от вращения Земли, для чего предпочтительно теплообменники выполнять с кривизной теплообменных элементов, обеспечивающей закрутку потока теплоносителя против часовой стрелки в теплообменниках, предназначенных для применения в северном полушарии Земли, и по часовой стрелке - для применения в южном полушарии.

Ниже предлагаемое изобретение поясняется конкретными примерами его использования и прилагаемыми чертежами:

на фиг.1 представлен общий вид теплообменника по варианту 1;

на фиг.2 - общий вид теплообменника по варианту 2 для двух теплоносителей;

на фиг.3 - общий вид теплообменника по варианту 2 для трех теплоносителей.

Теплообменник, выполненный по варианту 1 (см. фиг.1), содержит корпус 1 с патрубками подвода и отвода соответственно 2 и 3 для первого теплоносителя и 4 и 5 для второго теплоносителя. В корпусе 1 вдоль вертикальной оси установлены один над другим четыре блока 6 теплообменных элементов 7 с образованием периферийного кольцевого распределительного коллектора 8 и центрального цилиндрического распределительного коллектора 9. Каждый блок 6 сформирован из вертикально установленных, примыкающих друг к другу теплообменных элементов 7, сваренных между собой вертикальными швами и образующих кольцевой ряд вокруг вертикальной оси корпуса. Каждый теплообменный элемент выполнен полым и представляет собой две сваренные по двум горизонтальным сторонам стенки с дистанционирующими выступами, имеющие в поперечном сечении форму спирали Архимеда и образующие во внутренней полости радиально-спиральный щелевой канал для одного из теплоносителей. Теплообменные элементы прилегают друг к другу, образуя наружные вертикальные щелевые каналы для перемещения в аксиальном направлении второго теплоносителя, причем внутренние полости спиралевидных теплообменных элементов 7 всех блоков 6 сообщаются с периферийным 8 и центральным 9 распределительными коллекторами. Между смежными блоками 6 теплообменных элементов 7 поочередно в периферийном 8 и центральном 9 распределительных коллекторах установлены горизонтальные перегородки 10 и 11, которые разделяют распределительные коллекторы на отдельные изолированные полости (периферийный коллектор 8 на три полости, центральный коллектор 9 на два полости) и, препятствуя движению потока теплоносителя вдоль распределительных коллекторов 8 и 9, направляют его после истечения из внутренних полостей теплообменных элементов одного блока во внутренние полости теплообменных элементов последующего блока.

При переходе от одного блока к последующему блоку направление движения потока теплоносителя в спиралевидных каналах изменяется на противоположное (в первом и третьем блоках - от периферии к центру, а во втором и четвертом блоках - от центра к периферии). Поэтому для сохранения направления закрутки потока теплоносителя каждый последующий блок выполнен с противоположной, по сравнению с предыдущим блоком, кривизной теплообменных элементов, что показано на сечениях А-А и Б-Б фиг.1, причем применительно к использованию этого теплообменника в северном полушарии Земли выбором направления кривизны теплообменных элементов обеспечено направление закрутки потока против часовой стрелки.

Теплообменник, выполненный по варианту 2 для двух теплоносителей (см. фиг.2), содержит вертикальный цилиндрический корпус 12 с патрубками подвода и отвода соответственно 13 и 14 для первого теплоносителя и 15 и 16 для второго теплоносителя. В корпусе 12 концентрично относительно вертикальной оси установлены два блока 17 и 18 теплообменных элементов 19 и 20 с образованием периферийного кольцеобразного 21, промежуточного кольцеобразного 22 и центрального цилиндрического 23 распределительных коллекторов. Блоки 17 и 18 сформированы из вертикально установленных, примыкающих друг к другу теплообменных элементов соответственно 19 и 20, сваренных между собой вертикальными швами и образующих кольцевые ряды вокруг вертикальной оси корпуса 12. Каждый теплообменный элемент выполнен полым и представляет собой две сваренные по двум горизонтальным сторонам стенки с дистанционирующими выступами, имеющие в поперечном сечении форму спирали Архимеда и образующие во внутренней полости радиально-спиральный щелевой канал для одного из теплоносителей, причем внутренние полости теплообменных элементов 19 блока 17 сообщаются с периферийным 21 и промежуточным 22 распределительными каналами, а внутренние полости теплообменных элементов 20 блока 18 - с промежуточным 22 и центральным 23 распределительными коллекторами. Теплообменные элементы каждого блока прилегают друг к другу, образуя благодаря наличию дистанционирующих выступов наружные вертикальные щелевые каналы для второго теплоносителя. Поскольку при переходе из блока 17 в блок 18 направление потока теплоносителя не меняется (от центра к периферии), оба блока выполнены с одинаковым направлением кривизны теплообменных элементов 19 и 20, что показано на сечении В-В фиг.2, причем применительно к использованию этого теплообменника в северном полушарии Земли выбором направления кривизны теплообменных элементов обеспечено направление закрутки потока против часовой стрелки.

Теплообменник, выполненный по варианту 2 для трех теплоносителей (см. фиг.3), по конструкции близок к теплообменнику, описанному выше, и отличается тем, что в промежуточном распределительном коллекторе 24 установлена вертикальная цилиндрическая перегородка 25, разделяющая коллектор на две полости, каждая из которых сообщается с радиально-спиральными каналами теплообменных элементов прилегающего блока 26 и 27, а каждый блок снабжен своими патрубками для подвода и отвода теплоносителя, перемещающегося в радиально-спиральном направлении, в частности блок 26 - патрубками 28 и 29, а блок 27 - патрубками 30 и 31.

Предлагаемый теплообменник работает следующим образом.

Вариант 1. Поток первого теплоносителя через патрубок 2 поступает в верхнюю полость периферийного коллектора 8, проходит через радиально-спиральные каналы теплообменных элементов 7 верхнего блока 6 и поступает в верхнюю полость центрального канала 9, после чего благодаря наличию перегородки 11 поступает в радиально-спиральные каналы теплообменных элементов 7 второго блока 6, пройдя которые, поток оказывается в средней полости периферийного коллектора 8. Далее поток последовательно проходит третий и четвертый блоки, после чего через патрубок 3 выводится из теплообменника.

Одновременно поток второго теплоносителя поступает в теплообменник через патрубок 4 и аксиально перемещается вверх, последовательно проходя через вертикальные щелевые каналы четвертого, третьего, второго и первого блоков 6, после чего выводится их теплообменника через патрубок 5.

При прохождении потоков теплоносителей по соответствующим каналам через стенки теплообменных элементов осуществляется передача тепла от одного теплоносителя к другому, причем в зависимости от назначения теплообменника и температурных уровней теплоносителей либо первый теплоноситель нагревается, отбирая тепло от второго теплоносителя, либо первый теплоноситель охлаждается, отдавая тепло второму теплоносителю.

Благодаря тому, что переток первого теплоносителя из одного блока в другой блок осуществляется внутри теплообменника, без вывода его за пределы корпуса, достигается уменьшение гидравлического сопротивления тракта по сравнению с прототипом, а следовательно, - снижение расхода энергии на прокачку этого теплоносителя. Дополнительное снижение потерь напора и уменьшение расхода энергии обеспечено за счет сохранения направления закрутки потока теплоносителя, перемещающегося в радиально-спиральном направлении, благодаря тому, что каждый последующий блок выполнен с противоположным по сравнению с предыдущим блоком направлением кривизны теплообменных элементов.

Вариант 2. Теплообменник для двух теплоносителей функционирует аналогично описанному выше, за исключением того, что поток первого теплоносителя проходит последовательно через радиально-спиральные каналы концентрично установленных внутреннего и наружного блоков, а второй теплоноситель, поступив в теплообменник через патрубок 15, разделяется на два потока, один из которых проходит вниз через вертикальные щелевые каналы наружного блока 17, а второй - через аналогичные каналы внутреннего блока 18. Таким образом, площадь проходного сечения для аксиального потока увеличивается, что позволяет либо снизить потери напора этого потока, либо увеличить расход теплоносителя, не превышая технически обоснованного значения скорости потока.

Функционирование теплообменника по варианту 2 для трех теплоносителей отличается от предыдущего только тем, что благодаря наличию вертикальной цилиндрической перегородки 25 в промежуточном распределительном коллекторе 24 и отдельным для каждого блока патрубкам подвода и отвода 28 и 29, 30 и 31, через радиально-спиральные каналы каждого блока прокачивается свой теплоноситель. Преимуществом такого конструктивного решения является то, что оно позволяет в одном теплообменнике реализовывать различные, связанные с теплообменом, этапы сложных технологических процессов.

Изобретение относится к аппаратам для проведения теплообменных процессов и может быть использовано в промышленности, на транспорте, в быту для передачи теплоты от одного теплоносителя к другому. Теплообменник содержит вертикальный цилиндрический корпус с патрубками для подвода и отвода теплоносителей, внутри которого вокруг вертикальной оси установлены один над другим (вариант 1) или концентрично (вариант 2) два или более блоков теплообменных элементов с образованием распределительных коллекторов. Каждый теплообменный элемент состоит из двух снабженных дистанционирующими выступами стенок спиралеобразной формы, образующих внутренний канал для радиально-спирального потока одного из теплоносителей, а будучи собранными в блок, теплообменные элементы формируют вертикальные щелевые каналы для аксиального потока второго теплоносителя. Возможно также исполнение теплообменника для более чем двух теплоносителей. Направление потоков теплоносителей обеспечивается установленными внутри аппарата перегородками. Изобретение позволяет снизить гидравлические потери потоков теплоносителей и тем самым уменьшить расход энергии на их прокачку. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Теплообменник радиально-спирального типа, содержащий вертикальный цилиндрический корпус с патрубками подвода и отвода теплоносителей, внутри которого установлены один над другим два или более блоков теплообменных элементов с образованием периферийного кольцеобразного и центрального цилиндрического распределительных коллекторов, каждый блок сформирован из вертикально установленных, примыкающих друг к другу теплообменных элементов, сваренных между собой вертикальными швами и образующих кольцевой ряд вокруг вертикальной оси корпуса, каждый теплообменный элемент выполнен полым и представляет собой две сваренные по двум горизонтальным сторонам стенки с дистанционирующими выступами, имеющие в поперечном сечении форму спирали Архимеда и образующие во внутренней полости радиально-спиральный щелевой канал для одного из теплоносителей, а теплообменные элементы прилегают друг к другу, образуя наружные вертикальные щелевые каналы для перемещения в аксиальном направлении второго теплоносителя, причем внутренние полости спиралевидных теплообменных элементов всех блоков сообщаются с периферийным и центральным распределительными коллекторами, а между смежными блоками теплообменных элементов поочередно в периферийном и центральном распределительных коллекторах установлены горизонтальные перегородки, которые разделяют каждый из распределительных коллекторов на отдельные изолированные полости и, препятствуя движению потока теплоносителя вдоль распределительного коллектора, направляют его после истечения из внутренних полостей теплообменных элементов одного блока во внутренние полости теплообменных элементов последующего блока.2. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что каждый последующий из установленных в корпусе блоков выполнен с противоположным по сравнению с предыдущим блоком направлением кривизны теплообменных элементов.3. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что блоки выполнены с теплообменными элементами, предпочтительно имеющими кривизну, которая обеспечивает закрутку потока теплоносителя, перемещающегося в радиально-спиральном направлении, против часовой стрелки в теплообменнике, предназначенном для использования в северном полушарии Земли, а по часовой стрелке - в южном полушарии.4. Теплообменник радиально-спирального типа, содержащий вертикальный цилиндрический корпус с патрубками подвода и отвода теплоносителей, внутри которого концентрично относительно вертикальной оси установлены два или более блоков теплообменных элементов с образованием центрального цилиндрического, а также промежуточных кольцеобразных и периферийного кольцеобразного распределительных коллекторов, каждый блок сформирован из вертикально установленных, примыкающих друг к другу теплообменных элементов, сваренных между собой вертикальными швами и образующих кольцевой ряд вокруг вертикальной оси корпуса, каждый теплообменный элемент выполнен полым и представляет собой две сваренные по двум горизонтальным сторонам стенки с дистанционирующими выступами, имеющие в поперечном сечении форму спирали Архимеда и образующие во внутренней полости радиально-спиральный щелевой канал для одного из теплоносителей, а теплообменные элементы прилегают друг к другу, образуя наружные вертикальные щелевые каналы для перемещения другого теплоносителя в аксиальном направлении.5. Теплообменник по п.4, отличающийся тем, что все блоки выполнены с одинаковым направлением кривизны теплообменных элементов.6. Теплообменник по п.4, отличающийся тем, что в каждом промежуточном распределительном коллекторе установлена вертикальная цилиндрическая перегородка, разделяющая коллектор на две полости, каждая из которых сообщается с внутренними полостями теплообменных элементов прилегающего блока, а каждый блок снабжен своими патрубками для подвода и отвода теплоносителя, перемещающегося в радиально-спиральном направлении.7. Теплообменник по п.4, отличающийся тем, что блоки выполнены с теплообменными элементами, предпочтительно имеющими кривизну, которая обеспечивает закрутку потока теплоносителя, перемещающегося в радиально-спиральном направлении, против часовой стрелки в теплообменнике, предназначенном для использования в северном полушарии Земли, а по часовой стрелке - в южном полушарии.