ТЕПЛООБМЕННИК Российский патент 2019 года по МПК F28F27/02 F28D7/12 F28F9/22 

Настоящее изобретение относится к теплообменнику согласно ограничительно части п. 1 формулы изобретения.

Для переноса тепловой энергии от одной технологической среды на вторую технологическую среду применяются теплообменники. При рекуперативных теплообменниках каждая среда при этом имеет отделенное от другой среды пространство.

Широко распространенной конструкцией теплообменников являются так называемые кожухотрубные теплообменники, в которой среда направляется через несколько расположенных в секции параллельных труб. Вторая среда направляется через окружающую секцию труб камеру.

В специальной конструкции секция труб образуется множеством закрытых с одной стороны труб. Вторая труба вставлена в них и открыта в направлении закрытого конца первой трубы. Конструкция этого вида известна из US 2010/0254891 А1. Так как расположенные внутри трубы часто для улучшающего присоединения выводятся сбоку из внутренней трубы, эта конструкция также называется штыковым теплообменником.

Преимуществом этой конструктивной формы является то, что, чаще всего, текущая обратно во внутренней трубе среда отдает часть тепловой энергии протекающей снаружи среде и способствует таким образом нагреву втекающей более холодной среды.

Однако в таких теплообменниках существует проблема благоприятного регулирования, и могут возникать дополнительные проблемы, если необходимо срочное отключение установки, когда, например, подлежащая нагреву среда подвергается воздействию слишком высокой температуры.

Поэтому задач настоящего изобретения состоит в том, чтобы создать теплообменник указанного вначале вида, при котором благоприятным образом является возможным отключение теплопереноса. Кроме того, предпочтительно, должно быть возможным благоприятное регулирование теплообменника.

Изобретение определено признаками п. 1 формулы изобретения.

В теплообменнике согласно изобретению с первым участком, который является проточным первой средой, и вторым участком, который является проточным второй средой, причем в работе происходит теплообмен между первой и второй средой, первый участок имеет впускную камеру и соединенные с впускной камерой первые трубы, а также выпускную камеру и соединенные с выпускной камерой вторые трубы. Первые трубы в каждом случае закрыты на обращенном от впускной камеры конце, и каждая вторая труба, по меньшей мере, частично, расположена внутри одной из первых труб. Обращенный от выпускной камеры конец каждой второй трубы открыт к внутренней области соответствующей первой трубы. Второй участок имеет впускное устройство и выпускное устройство, причем впускное устройство оканчивается в камере теплообменника. Камера теплообменника окружает первые трубы первого участка, по меньшей мере, частично. Кроме того, камера теплообменника соединена с выпускным устройством. Изобретение отличается тем, что впускное устройство имеет запорное устройство для запирания потока текучей среды второй среды в камеру теплообменника, и что впускное устройство и выпускное устройство соединяет байпасное устройство для, по меньшей мере, частичного направления потока текучей среды второй среды мимо камеры теплообменника, причем запорное устройство расположено в направлении потока второй среды за байпасным устройством.

При этом через запорное устройство в его запертом положении благоприятным образом предотвращается то, что поступающая через впускное устройство вторая среда попадет в камеру теплообменника. Посредством байпасного устройства вторая среда может направляться прямо к выпускному устройству. При запертом запорном устройстве камера теплообменника является непроточной. За счет этого посредством запорного устройства может быть достигнуто быстрое отключение теплообмена между первой и второй средой, причем одновременно предотвращается то, что на запорном устройстве возникнет слишком высокое давление, так как вторая среда может быть отведена через байпасное устройство.

Первые трубы первого участка, предпочтительно, параллельны и расположены в виде секции.

Предпочтительно предусмотрено, что байпасное устройство имеет регулирующее устройство для регулировки потока текучей среды второй среды через байпасное устройство. Регулирующее устройство может быть выполнено, например, в виде вращательно приводной заслонки. Такие заслонки имеют то преимущество, что приводной вал для приведения в действие заслонки может благоприятным образом быть уплотнен. За счет этого при открытом запорном устройстве может быть установлено, направляется ли определенная доля второй среды через байпасное устройство, причем через регулирующее устройство устанавливается потеря давления в байпасном устройстве. За счет этого благоприятным образом регулируется количество второй среды, которое попадает в камеру теплообменника, и при этом вызывается теплообмен с первой средой.

Предпочтительно предусмотрено, что запорное устройство имеет функцию регулировки. За счет этого и посредством запорного устройства может регулироваться количество второй среды, которое попадает в камеру теплообменника. В форме осуществления, в которой байпасное устройство не имеет регулирующего устройства, посредством запорного устройства с функцией регулировки также может быть установлено, что часть второй среды направляется через байпасное устройство и, тем самым, в камеру теплообменника.

Байпасное устройство и запорное устройство, в принципе, выполнены отдельно друг от друга и являются приводимыми в действе независимо одно от другого. За счет этого достигается особо гибкое применение и благоприятное управление, так как в общей области эксплуатации имеется определенная кривая регулирования. Запорное устройство, например, может иметь регулирующую поток, вращательно приводимую в действие заслонку.

Предпочтительно предусмотрено, что камера теплообменника образована удлиненной трубой. За счет этого может быть конструктивно простым образом создана камера теплообменника, которая принимает секцию труб из первых труб.

При этом предпочтительно предусмотрено, что удлиненную трубу камеры теплообменника окружает корпусная труба, и выпускное устройство оканчивается в корпусной трубе, причем удлиненная труба на обращенной от впускного устройства стороне открыта к выполненному между корпусной трубой и удлиненной трубой щелевому пространству. Другими словами: текущая через камеру теплообменника вторая среда течет на конце удлиненной трубы наружу в образованную между корпусной трубой и удлиненной трубой кольцевую щель и течет снаружи по удлиненной трубе обратно в направлении выпускного устройства. Таим образом, может быть, например, достигнуто то, что выпускное устройство и впускное устройство расположены относительно близко друг к другу, так что подводящие и отводящие трубы для второй среды могут быть расположены близко друг к другу, что зачастую имеет конструктивные преимущества.

Предпочтительно, теплообменник имеет корпус, в котором размещены впускная камера, выпускная камера и камера теплообменника, Другими словами: теплообменник имеет общий корпус для, по меньшей мере, части образующих первый и второй участок аппаратов.

При этом может быть предусмотрено, что корпус образует корпусную трубу.

Теплообменник может быть выполнен, например, удлиненным, причем впускная камера охвачена стенками корпуса. Выпускная камера может быть, например, вставлена во впускную камеру. Выпускная камера может быть отделена, например, от теплообменника и корпусной трубы перегородкой корпуса, которая пронизана первыми и вторыми трубами. Такой вариант оказался особо благоприятным.

Может быть предусмотрено, что впускная камера и выпускная камера расположены в первом концевом участке корпуса. Под первым концевым участком подразумевается, например, участок корпуса, который простирается, например, на 10-20% длины корпуса.

Впускное устройство и выпускное устройство могут быть расположены на втором концевом участке корпуса. Второй концевой участок, например, также может простираться на 10-20% длины корпуса. Камера теплообменника может быть расположена на среднем участке корпуса. Средний участок корпуса расположен между первым и вторым концевым участком.

Предпочтительно предусмотрено, что впускное устройство имеет впускной патрубок, а выпускное устройство имеет выпускной патрубок, которые расположены в горизонтальной плоскости. Другими словами, средние оси впускного патрубка и выпускного патрубка расположены в одной плоскости. Впускной и выпускной патрубки могут быть расположены, например, коаксиально или же со смещением на 90° относительно друг друга.

Такое расположение является особо благоприятным, так как направляющие вторую среду линии, которые ведут к теплообменнику и от него, также могут быть расположены коаксиально друг другу. За счет этого теплообменник согласно изобретению является, например, вставляемым без больших конструктивных издержек в имеющуюся линию второй среды.

В одном особо предпочтительном примере осуществления изобретения предусмотрено, что выпускное устройство имеет вторую выпускную камеру, причем впускное устройство пронизывает вторую выпускную камеру, и причем байпасное устройство имеет байпасный патрубок, который вступает из впускного устройства во вторую выпускную камеру. Вторая выпускная камера может быть образована, например, вторым концевым участком корпуса.

Такая форма впускного устройства и выпускного устройства является изготавливаемой конструктивно особо простым образом.

При этом, предпочтительно, предусмотрено, что выпускной патрубок оканчивается во второй выпускной камере.

В теплообменнике согласно изобретению запорное устройство и регулирующее устройство байпасного устройства могут быть выполнены, например, в виде заслонок. Само собой разумеется, могут применяться и другие регулирующие органы.

В одном предпочтительном примере осуществления изобретения предусмотрено, что каждая вторая труба выполнена в виде двустенной трубы трубы, с внутренней трубой и внешней трубой, причем внутренняя труба и внешняя труба на обращенном от выпускной камеры конце или на обращенном к выпускной камере конце соединены друг с другом. За счет этого достигается то, что входящая во впускную камеру среда собирается в образованной между внутренней трубой и внешней трубой кольцевой щели. Внешняя труба второй трубы действует как защита против теплового излучения нагреваемой среды. Кроме того, находящаяся в кольцевой щели между внешней трубой и внутренней трубой среда может вызывать изоляционное действие.

Предпочтительно предусмотрено, что в теплообменной камере расположены отклоняющие поток элементы для отклонения потока второй среды. Посредством выполнения элементов отклонения потока в теплообменной камере вторая среда благоприятным образом может направляться принудительно. За счет этого может улучшаться теплообмен в теплообменной камере. Также, посредством принудительного ведения второй среды может быть уменьшена величина потери давления второй среды при протекании через камеры теплообменника.

Теплообменник согласно изобретению может эксплуатироваться с газами, парами и жидкостями в любой комбинации и применяться, например, как теплообменник типа газ-газ или теплообменник типа газ-жидкость. Также является возможным, что теплообмен происходит между газообразной средой и гидравлической средой. Среда 1 может быть, например, дымом, а среда 2 -гидравлической средой, например водой. Также существует возможность, что среда 1 является гидравлической средой, такой как, например, вода, а среда 2 является дымом. При теплообменнике согласно изобретению среда 1 может быть нагреваемой средой, а среда 2 - охлаждаемой средой, или наоборот, среда 2 - нагреваемой средой, а среда 1 - охлаждаемой средой.

В дальнейшем изобретение поясняется более детально со ссылками на следующие фигуры.

Показано на:

Фиг. 1 схематическое представление теплообменника согласно изобретению в разрезе,

Фиг. 2 схематическое детальное представление первого концевого участка корпуса теплообменника согласно фиг. 1, и

Фиг. 3 схематическое детальное представление второго концевого участка корпуса теплообменника согласно фиг. 1.

На фиг. 1-3 теплообменник 1 согласно изобретению представлен схематически в разрезе.

Теплообменник состоит из первого участка 3, который является проточным первой средой, и второго участка 5, который является проточным второй средой.

Между первой и второй средой при эксплуатации теплообменника 1 происходит теплообмен.

Первый участок 3 теплообменника 1 имеет впускную камеру 7, и соединенные с впускной камерой первые трубы 9. Через патрубок 11 первая среда может направляться во впускную камеру 7. На обращенном от впускной камеры 7 конце 9а трубы 9 закрыты. Первые трубы 9 расположены параллельно друг другу и в виде секции труб.

Кроме того, первый участок 3 имеет выпускную камеру 13, которая соединена с еще одним патрубком 11, через который первая среда может отводиться из теплообменника 1.

Выпускная камера 13 расположена во впускной камере 7 и соединена с множеством вторых труб 15. Каждая вторая труба 15 частично расположена внутри одной из первых труб 9. Другими словами: вторая труба вставлена в первую трубу 9. Обращенный от выпускной камеры 13 конец 15а каждой второй трубы 15 открыт к внутреннему пространству соответствующей первой трубы 9. Проходящая первый участок 3 первая среда поступает через патрубок 11 во впускную камеру 7. Оттуда среда течет в образованной между первой трубой 9 и каждой второй трубой 15 кольцевой щели 17 до обращенного от впускной камеры 7 конца 9а каждой трубы 9. В результате того, что первые трубы 9 на этом конце закрыты, первая среда течет во вторую трубу 15 и в направлении выпускной камеры 13. В ней текущая обратно первая среда собирается и отводится через присоединенный на выпускной камере 13 патрубок 11.

В представленном примере осуществления изобретения вторая труба 15 выполнена в виде двустенной трубы и имеет внутреннюю трубу 15b и внешнюю трубу 15 с. Образованная между внутренней трубой 15b и внешней трубой 15 с кольцевая щель 15d открыта к впускной камере 7. На обращенном от выпускной камеры 13 конце 15а второй трубы 15 внутренняя труба 15b соединена с внешней трубой 15 с, так что кольцевая щель 15d на этом конце 15а закрыта. Такое выполнение второй трубы 15, с одной стороны, служит в качестве щита защиты от излучения для внутренней трубы 15b, а с другой стороны, текущая во впускную камеру 7 первая среда проникает в кольцевую щель между внутренней трубой 15b и 15 с и остается там. Эта среда образует дополнительное защитное изоляционное действие. За счет этого теплоперенос может выравниваться.

Второй участок 5 теплообменника 1 согласно изобретению имеет впускное устройство 19 и выпускное устройство 21. Впускное устройство 19 имеет впускной патрубок 23, через который вторая среда подается в теплообменник 1. Выпускное устройство 21 имеет выпускной патрубок 25, через который вторая среда может вытекать из теплообменника. В представленном на фигурах примере осуществления впускной патрубок 23 и выпускной патрубок 25 расположены коаксиально друг другу.

Впускное устройство 19 оканчивается в камере 27 теплообменника, которая окружает первые трубы 9 первого участка 3. Камеру 27 теплообменника окружает удлиненная труба 27а. Вторая среда течет через впускное устройство 19 в камеру 27 теплообменника и при этом окружает первые трубы 9. При этом на поверхности первых труб 9 возникает площадь теплопередачи, посредством которой может происходить теплообмен между первой и второй средой.

В камере 27 теплообменника выполнены отклоняющие поток элементы 28, которые вызывают изменение направления потока второй среды. В результате этого улучшается теплообмен. Отклоняющие поток элементы 28 могут быть выполнены в форме кольцевых или дисковых элементов. Отклоняющие поток элементы 28 могут быть пластинами, например перегородками, или спиралевидными элементами отклонения потока. За счет расположения отклоняющих поток элементов 28 изменяется направление потока второй среды, причем она направляется принудительно. Также уменьшается величина потери давления второй среды при протекании через камеру 27 теплообменника.

На обращенном от впускного устройства 19 конце камеры 27 теплообменника удлиненная труба 27а открыта. Удлиненную трубу 27а окружает корпусная труба 29, так что между удлиненной трубой 27а и корпусной трубой 29 возникает щелевое пространство 31. Щелевое пространство 21 переходит во вторую выпускную камеру 33, которая является частью выпускного устройства 21 и в которой оканчивается выпускной патрубок 25. На обращенном от выпускного устройства 21 конце корпусной трубы 29 она соединена с перегородкой 35 корпуса, которая пронизана первыми трубами 9. Перегородка 35 корпуса закрывает камеру 27 теплообменника и щелевое пространство 31 на обращенном от выпускного устройства 21 конце. Вторая среда, которая течет через камеру 27 теплообменника 27, посредством перегородки 35 корпуса направляется при этом в щелевое пространство 31 и через щелевое пространство 31 течет во вторую выпускную камеру 33.

От впускного устройства 19 байпасное устройство 37 ведет к выпускному устройству 21. При этом к впускному устройству 19 присоединен байпасный патрубок 39, который простирается во вторую выпускную камеру 33. При этом втекающая через впускное устройство 19 вторая среда может направляться мимо камеры 27 теплообменника и течь прямо к выпускному устройству 21.

Кроме того, байпасное устройство в представленном на фигурах примере осуществления имеет регулирующее устройство 43. Посредством его регулируется потеря давления на байпасном устройстве 37. За счет этого особо благоприятным образом является регулируемым поток второй среды через камеру 27 теплообменника и байпасное устройство 37. В результате этого благоприятным образом является возможным регулирование температуры смешения второй среды на выпускном устройстве 21.

Впускное устройство 19 имеет запорное устройство 41, которое в направлении потока второй среды расположено за байпасным устройством 37 во впускном устройстве 19. Посредством запорного устройства поток текучей среды второй среды в камеру 27 теплообменника может быть заблокирован. В запорном положении запорного устройства 41 вторая среда течет полностью через байпасное устройство 37 в выпускное устройство 21. Посредством запорного устройства 41 является возможным аварийное отключение, благодаря чему могут защищаться детали внутри камеры 27 теплообменника.

Запорное устройство 41 также может иметь регулирующую функцию, так что часть второй среды течет в камеру 27 теплообменника и часть через байпасное устройство 37. Таким образом теплообменник 1 может регулироваться благоприятным образом. При этом запорное устройство 41 может выполнять блокирующую функцию и регулирующую функцию, благодаря чему в некоторых формах осуществления можно отказаться и от регулирующего устройства 43.

Запорное устройство 41 и регулирующее устройство 43 могут быть выполнены, например, в виде управляемых заслонок. Например, запорное устройство 41 и регулирующее устройство 43 могут иметь вращательно приводимые заслонки, которые ограничивают проток в зависимости от своего положения. Запорное устройство 41 и байпасное устройство 37 принципиально отделены друг от друга и выполнены независимо.

Теплообменник 1 имеет корпус 45, который вмещает впускную камеру 17, выпускную камеру 13, камеру 27 теплообменника, щелевое пространство 31 и вторую выпускную камеру 33. При этом корпус образует корпусную трубу 29 и корпусную перегородку 35.

Впускная камера и выпускная камера расположены на первом концевом участке 45а корпуса. Он может простираться, например, на 10-20% длины всего корпуса 45.

Впускное устройство 19 и выпускное устройство 21 расположены на втором концевом участке 45b корпуса. Как описано, части впускного устройства 19 и выпускного устройства 21 размещены в этой части корпуса. Второй концевой участок 45b корпуса 45 простирается также примерно на 10-20% длины корпуса 45.

Выполненный между первым и вторым концевым участком 45а, 45b средний участок 45 с вмещает камеру 27 теплообменника и образует щелевое пространство 31.

В теплообменнике (1) с первым участком (3), который является проточным первой средой, и вторым участком (5), который является проточным второй средой, причем при эксплуатации происходит теплообмен между первой и второй средой, причем первый участок (3) имеет впускную камеру (7) и соединенные с впускной камерой первые трубы (9) и выпускную камеру (13) и соединенные с выпускной камерой (13) вторые трубы (15), причем первые трубы (9) соответственно на обращенных от впускной камеры (7) концах (9а) закрыты, и причем каждая вторая труба (15), по меньшей мере, частично расположена внутри одной из первых труб (9), а обращенный от выпускной камеры (13) конец (15а) каждой второй трубы (15) открыт к внутреннему пространству соответствующей первой трубы (9), причем второй участок (5) имеет впускное устройство (19) и выпускное устройство (21), причем впускное устройство (19) оканчивается в камере (27) теплообменника, и камера (27) теплообменника, по меньшей мере, частично окружает первые трубы (9) первого участка (3), и причем камера (27) теплообменника соединена с выпускным устройством (21), предусмотрено, что впускное устройство (19) имеет запорное устройство (41) для блокировки потока текучей среды второй среды в камеру (27) теплообменника, и что впускное устройство (19) и выпускное устройство (21) соединяет байпасное устройство (37) для, по меньшей мере, частичного направления потока текучей среды второй среды мимо камеры (27) теплообменника, причем запорное устройство (41) в направлении потока второй среды расположено за байпасным устройством (37). 14 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Теплообменник (1) с первым участком (3), который является проточным первой средой, и вторым участком (5), который является проточным второй средой, причем при эксплуатации происходит теплообмен между первой и второй средой,

- причем первый участок (3) имеет впускную камеру (7) и соединенные с впускной камерой первые трубы (9) и выпускную камеру (13) и соединенные с выпускной камерой (13) вторые трубы (15),

- причем первые трубы (9) соответственно на обращенных от впускной камеры (7) концах (9а) закрыты, и

- причем каждая вторая труба (15), по меньшей мере, частично расположена внутри одной из первых труб (9), а обращенный от выпускной камеры (13) конец (15а) каждой второй трубы (15) открыт к внутреннему пространству соответствующей первой трубы (9),

- причем второй участок (5) имеет впускное устройство (19) и выпускное устройство (21),

- причем впускное устройство (19) оканчивается в камере (27) теплообменника, и камера (27) теплообменника, по меньшей мере, частично окружает первые трубы (9) первого участка (3), и

- причем камера (27) теплообменника соединена с выпускным устройством (21),

отличающийся тем, что

впускное устройство (19) имеет запорное устройство (41) для блокировки потока текучей среды второй среды в камеру (27) теплообменника, и что впускное устройство (19) и выпускное устройство (21) соединяет байпасное устройство (37) для, по меньшей мере, частичного направления потока текучей среды второй среды мимо камеры (27) теплообменника, причем запорное устройство (41) в направлении потока второй среды расположено за байпасным устройством (37).

2. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что байпасное устройство (37) имеет регулирующее устройство (43) для регулировки потока текучей среды второй среды через байпасное устройство (37).

3. Теплообменник по п. 1 или 2, отличающийся тем, что запорное устройство (41) имеет регулировочную функцию.

4. Теплообменник по одному из пп. 1-3, отличающийся тем, что камера (27) теплообменника образована удлиненной трубой (27а).

5. Теплообменник по п. 4, отличающийся тем, что удлиненную трубу (27а) камеры (27) теплообменника окружает корпусная труба (29), и корпусная труба (29) оканчивается в выпускном устройстве (21), причем удлиненная труба (27а) на обращенной от впускного устройства (19) стороне открыта к выполненному между корпусной трубой (29) и удлиненной трубой (27а) щелевому пространству (31).

6. Теплообменник по одному из пп. 1-5, отличающийся корпусом (45), в котором размещены впускная камера (7), выпускная камера (13) и камера (27) теплообменника.

7. Теплообменник по п. 6, отличающийся тем, что корпус (45) образует корпусную трубу (29).

8. Теплообменник по п. 6 или 7, отличающийся тем, что впускная камера (7) и выпускная камера (13) расположены в первом концевом участке (45а) корпуса (45).

9. Теплообменник по одному из пп. 6-8, отличающийся тем, что впускное устройство (19) и выпускное устройство (21) расположены на втором концевом участке (45b) корпуса (45).

10. Теплообменник по одному из пп. 6-9, отличающийся тем, что камера (27) теплообменника расположена в среднем участке (45с) корпуса (45).

11. Теплообменник по одному из пп. 1-10, отличающийся тем, что впускное устройство (19) имеет впускной патрубок (23), а выпускное устройство (21) имеет выпускной патрубок (25), причем впускной патрубок (23) и выпускной патрубок (25) расположены коаксиально друг другу или их оси расположены в горизонтальной плоскости.

12. Теплообменник по одному из пп. 1-11, отличающийся тем, что выпускное устройство (21) имеет вторую выпускную камеру (33), причем впускное устройство (19) пронизывает вторую выпускную камеру (33), и причем байпасное устройство (37) имеет байпасный патрубок (39), который от впускного устройства (19) выступает во вторую выпускную камеру (33).

13. Теплообменник по п. 12, отличающийся тем, что выпускной патрубок (25) оканчивается во второй выпускной камере (33).

14. Теплообменник по одному из пп. 1-13, отличающийся тем, что каждая вторая труба (15) выполнена в виде двустенной трубы, с внутренней трубой (15b) и внешней трубой (15с), причем внутренняя труба (15b) и внешняя труба (15с) на обращенном от выпускной камеры (13) конце (15а) или обращенном к выпускной камере (13) конце соединены друг с другом.

15. Теплообменник по одному из пп. 1-14, отличающийся тем, что в камере (27) теплообменника расположены отклоняющие поток элементы (28) для отклонения потока второй среды.