Пластинчатый аппарат воздушного охлаждения Российский патент 2022 года по МПК F28D5/00 F28F3/10 

Изобретение относится к теплообменным устройствам, где осуществляется охлаждение атмосферным воздухом жидких сред, и может быть использовано в химической, нефтехимической, энергетической и других отраслях промышленности.

Известны аппараты воздушного охлаждения горизонтального, зигзагообразного и шатрового типов [1], включающие теплообменные секции с оребренными трубами, камеры для ввода и вывода охлаждаемого потока, диффузор, вентилятор с электродвигателем, жалюзи для прохода и регулирования охлаждающего потока воздуха. Недостатками известных аппаратов воздушного охлаждения (АВО) являются неравномерности распределения охлаждаемого потока по трубам теплообменных секций и охлаждающего потока воздуха по площади поперечного сечения теплообменных секций, что отрицательно сказывается на эффективности теплопередачи. Кроме того, известные АВО имеют высокое аэродинамическое сопротивление рядов оребренных труб, большие габариты, вес, громоздкость, металлоемкость, значительные капитальные затраты при изготовлении и эксплуатации АВО. Требуется большая площадь размещения АВО на эксплуатационной площадке. Ремонт теплообменных секций представляет собой достаточно сложную и трудоемкую операцию с привлечением грузоподъемных механизмов.

Известен аппарат воздушного охлаждения [2] с поверхностью теплопередачи из оребренных вертикально ориентированных труб в теплообменных секциях. Аппарат [2] занимает меньшую площадь размещения на эксплуатационной площадке, имеет лучшую ремонтопригодность, но в разной степени ему присущи те же недостатки, что и известным устройствам [1], отмеченные выше.

Наиболее близкими по технической сущности к предлагаемому изобретению является аппарат воздушного охлаждения, включающий попарно соединенные гофрированные пластины, образующие чередующиеся между собой каналы для прохода потоков охлаждающего воздуха и охлаждаемого продукта, распределительную и сборную камеры, штуцеры, вентилятор с электродвигателем [3] - прототип. Количество переданного тепла на единицу массы теплопередающей поверхности в устройстве [3] значительно больше, чем в известных АВО с оребренными трубами. Устройство [3] более компактное и менее металлоемкое.

Недостатком известного устройства [3] является то, что конструкция его неразборная, и это затрудняет выполнение ремонтных работ. Другим недостатком устройства [3], как и других известных аппаратов воздушного охлаждения [1, 2] с поверхность теплопередачи из оребренных труб, является, то, что они работают по схемам движения теплоносителей «перекрестный ток» или «смешанный ток». Это не позволяет охлаждать технологический продукт до предельно возможных низких температур, определяемых температурой охлаждающего теплоносителя - атмосферного воздуха и приводит к необходимости развивать площадь поверхности теплопередачи и увеличивать расход воздуха, прокачиваемого через АВО.

Техническая проблема, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в необходимости повышения эффективности работы устройства, его ремонтопригодности, в обеспечении охлаждения технологического продукта до предельно возможных низких температур.

Указанная проблема решается тем, что пластинчатый аппарат воздушного охлаждения, включающий попарно соединенные гофрированные пластины, образующие чередующиеся между собой каналы для прохода потоков охлаждающего воздуха и охлаждаемого продукта, распределительную и сборную камеры, штуцеры, вентилятор с электродвигателем, попарные соединения гофрированных пластин выполнены с использованием прокладок из эластичного материала по периметру пластин и являются разъемными, внешние боковые стенки воздушных каналов образованы сплошными, непроницаемыми для воздуха, проставками между парами соединенных друг с другом гофрированных пластин, а со сторон входа воздуха в воздушные каналы и выхода из них установлены проницаемые для воздуха проставки, распределительная и сборная камеры имеют трубчатую форму, отверстия по образующим для прохода охлаждаемого продукта, прошивают гофрированные пластины в направлении перпендикулярном плоскости пластин и снабжены уплотнениями по периметру в местах прохода через пластины, с одной своей стороны распределительная и сборная камеры имеют резьбовые хвостовики, прижимные втулки и прижимные гайки, а с другой, противоположной, стороны имеют опорные кольца и соединены с штуцерами, к боковым гофрированным пластинам примыкают прижимные рамы, соединенные между собой резьбовыми стяжками.

Кроме того, в пластинчатом аппарате воздушного охлаждения со стороны выхода охлаждающего воздуха установлен конфузор, в узкой части которого размещен вентилятор, поперечные гофры на пластинах расположены в направлении перпендикулярном направлению движения потока воздуха, продольные гофры расположены в направлении движения потока воздуха, причем поперечные гофры выполнены в виде валиков на сторонах пластин обращенных в каналы для прохода воздуха и являются турбулизаторами для потоков воздуха в каналах, а продольные гофры выполнены на сторонах пластин, обращенных в каналы для прохода охлаждаемого продукта и являются дистанционирующими элементами, гофрированные пластины выполнены с отбортовкой.

В отличие от известного устройства [3], выполнение попарных соединений гофрированных пластин разъемными с использованием прокладок из эластичного материала по периметру пластин, наличия между парами соединенных друг с другом гофрированных пластин сплошных, непроницаемых для воздуха, проставок, образующих внешние боковые стенки воздушных каналов, и проницаемых для воздуха проставок со сторон входа и выхода воздуха в воздушных каналах, трубчатая форма распределительной и сборной камер, имеющих отверстия по образующим для прохода охлаждаемого продукта и прошивающих гофрированные пластины в направлении, перпендикулярном плоскости пластин, при наличии уплотнений по периметру в местах прохода через пластины, позволяет работать предлагаемому пластинчатому аппарату воздушного охлаждения, по лучшей в теплотехническом отношении схеме «противоток», когда обменивающиеся теплотой теплоносители перемещаются в противоположных направлениях. При этом возможно охлаждать технологический продукт до предельно низких температур, максимально приближенных к температуре охлаждающего атмосферного воздуха.

Наличие в предлагаемом пластинчатом аппарате воздушного охлаждения резьбовых хвостовиков, прижимных втулок и прижимных гаек с одной стороны распределительной и сборной камер, а с другой, противоположной стороны, где они соединены с штуцерами, - опорных колец, прижимных рам, примыкающих к боковым гофрированным пластинам и соединенных между собой резьбовыми стяжками, обеспечивает герметичность каналов для прохода охлаждаемого продукта путем затяжки резьбовых соединений. Устройство полностью разборное, что обеспечивает его высокую ремонтопригодность и взаимозаменяемость составляющих конструктивных частей.

Использование конфузора, установленного со стороны выхода охлаждающего воздуха и своей узкой частью соединенного с вентилятором, обеспечивает значительно более равномерное распределение охлаждающего воздуха по воздушным каналам, чем при использовании диффузора со стороны входа воздуха в каналы в известном устройстве [3]. Исследования показывают, что для предлагаемого варианта размещения диффузора и вентилятора тепловой к.п.д устройства может повышаться на 7÷9%. Размещение вентилятора со стороны выхода охлаждающего воздуха из каналов имеет и то преимущество, что способствует понижению аэродинамического сопротивления воздушных каналов устройства из-за меньшего вихреобразования в потоке воздуха по отношению к диффузорному вводу.

Продольные и поперечные гофры на пластинах в предлагаемом устройстве, кроме прямого своего назначения, выполняют еще и функции ребер жесткости. Поперечные гофры имеют небольшую высоту, представляют собой элементы дискретной шероховатости, турбулизирующие поток воздуха и интенсифицирующие его теплообмен со стенкой пластин, и могут наносится на поверхность пластин, например, методом наплавки. Выполнение поперечных гофр в виде валиков с закругленными формами позволяет достичь наилучшего соответствия между ростом интенсивности теплообмена и сопровождающим этот рост повышением аэродинамического сопротивления потока охлаждающего воздуха. Как показывают исследования, форма турбулизирующих элементов дискретной шероховатости мало влияет на показатели интенсивности теплообмена омывающего их потока теплоносителя, но существенно влияет на сопротивление потока. Все гофрированные пластины однотипные, взаимозаменяемые и изготавливаются с помощью одного штампа. На боковых гофрированных пластинах устройства поперечные гофры могут не выполняться.

Наличие отбортовки на гофрированных пластинах обеспечивает фиксацию прокладок из эластичного материала по периметру пластин, что облегчает сборку устройства. Кроме того, отбортовка препятствует выдавливанию прокладок при нерегламентном повышении давления в каналах для прохода охлаждаемого продукта.

Таким образом, отличительные признаки изобретения позволяют решить поставленную проблему.

Сопоставительный анализ заявляемого технического решения с прототипом показывает, что заявляемое устройство соответствует критерию изобретения «новизна».

Конструктивное исполнение известных [1,2,3] и других АВО не позволяет использовать их для работы по схеме «противоток».

Все это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию изобретения «существенные отличия».

Изобретение поясняется чертежами: фиг. 1-8.

На фиг. 1 показан общий вид пластинчатого аппарата воздушного охлаждения; на фиг. 2 - вид слева на фиг. 1; на фиг. 3 - гофрированная пластина; на фиг. 4 - вид слева на фиг. 3; на фиг. 5 - уплотнения камер в местах прохода через пластины; на фиг. 6 - элемент I на фиг. 2; на фиг. 7 - элемент II на фиг. 2; на фиг. 8 - сплошная непроницаемая проставка и проницаемая проставка в сборе.

Пластинчатый аппарат воздушного охлаждения включает в себя гофрированные пластины 1, попарно разъемно соединенные между собой с использованием прокладок 2 из эластичного материала, расположенных по периметру пластин 1. Соединенные попарно пластины 1 образуют чередующиеся между собой каналы 3 для прохода охлаждающего воздуха и каналы 4 для прохода охлаждаемого продукта. Внешние боковые стенки воздушных каналов 3 образованы сплошными, непроницаемыми для воздуха, проставками 5 между парами разъемно соединенных друг с другом гофрированных пластин 1. Со стороны входа воздуха в воздушные каналы 3 и выхода из них установлены проницаемые для воздуха проставки 6, имеющие разъемные соединения со сплошными, непроницаемыми для воздуха, проставками 5 с помощью штифтов 7. Трубчатой формы распределительная 8 и сборная 9 камеры прошивают гофрированные пластины 1 в направлении перпендикулярном плоскости пластин и имеют отверстия 10 по образующим. Отверстия 10 соединяют между собой полости камер 8 и 9 с полостями каналов 4 и служат для прохода охлаждаемого продукта. В местах прохода распределительной 8 и сборной 9 камер через гофрированные пластины 1 имеются кольцевые уплотнения 11, выполненные из эластичного материала. Плотное прилегание кольцевых уплотнений 11 к поверхностям гофрированных пластин 1 трубчатых камер 8 и 9 и герметизация каналов 4 для прохода охлаждаемого продукта обеспечиваются с помощью подвижных внутренних 12 и внешних 13 распорных втулок со скошенными торцами. На внутренних распорных втулках 12 имеются отверстия 14 для прохода охлаждаемого продукта. Со стороны входного 15 и выходного 16 штуцеров распределительная 8 и сборная 9 камеры жестко соединены с опорными кольцами 17 и снабжены подвижными опорными втулками 18 со скошенными торцами. С другой, противоположной, стороны распределительная 8 и сборная 9 камеры имеют резьбовые хвостовики 19, подвижные прижимные втулки 20 со скошенными торцами, шайбы 21 и прижимные гайки 22. Закручивание прижимных гаек 22 с необходимым натягом приводит в рабочее состояние все уплотнения 11 и герметизирует каналы 4 для прохода охлаждаемого продукта. Герметизация каналов 4 по периметру осуществляется с помощью затягивания гаек 23 на резьбовых стяжках 24, соединяющих между собой прижимные рамы 25, примыкающие к боковым гофрированным пластинам 1.

Со стороны выхода из каналов 3 охлаждающего воздуха установлен конфузор 26, соединенный своей узкой частью с вентилятором 27, имеющим привод от электродвигателя 28.

На гофрированных пластинах 1 гофры выполнены в виде валиков 29 (поперечные гофры) на сторонах пластин, обращенных в каналы 3 для прохода воздуха, и в виде ребер 30 (продольные гофры) на сторонах пластин, обращенных в каналы 4 для прохода охлаждаемого продукта. По периметру гофрированных пластин 1 выполнена отбортовка 31.

Гофрированные пластины 1 изготавливаются из тонколистового металла или пластмассы методом штамповки или вытяжки.

Пластинчатый аппарат воздушного охлаждения работает следующим образом.

При включении вентилятора 27 с приводом от электродвигателя 28 начинается движение атмосферного охлаждающего воздуха через каналы 3, по периметру которых расположены проницаемые 6 для воздуха и глухие 5 проставки, соединенные между собой с помощью штифтов 7. В пространстве конфузора 26 канальные потоки воздуха собираются в один общий поток, который, проходя через вентилятор 27, выбрасывается в атмосферу. Охлаждаемый продукт поступает через входной штуцер 15 в распределительную камеру 8, откуда через отверстия 10 и далее через отверстия 14 в подвижных внутренних распорных втулках 12 истекает в каналы 4. В каналах 4 движение охлаждаемого продукта осуществляется в направлении, встречном направлению движения охлаждающего воздуха в параллельно расположенных каналах 3. В процессе движения потоков продукта и воздуха идет процесс обмена теплотой между ними через разделяющие их стенки пластин 1. Поперечные гофры в виде валиков 29 на поверхностях стенок пластин 1, обращенных в каналы 3, интенсифицируют теплообмен охлаждающего воздуха как при ламинарном, так и при турбулентном режимах его движения. Как следствие, возрастает интенсивность теплопередачи от продукта в каналах 4 к воздуху в каналах 3. Дополнительная функция поперечных гофр 29, а также продольных гофр 30 и отбортовки 31 состоит в увеличении жесткости пластин 1, что позволяет выполнять пластины тонкостенными с меньшими затратами материала на изготовление. Охлажденный продукт из каналов 4 через отверстия 14 в подвижных внутренних распорных втулках 12, охватывающих сборную камеру 9, отверстия 10 в стенке сборной камеры 9 поступает в полость сборной камеры 9, откуда направляется в выходной штуцер 16, через который выводится из аппарата. Герметичность каналов 4 для охлаждаемого продукта в местах соединения с распределительной 8 и сборной 9 камер обеспечивается за счет использования кольцевых уплотнений 11 из эластичного материала, а также внутренних 12 и внешних 13 распорных втулок, опорных колец 17, опорных втулок 18, резьбовых хвостовиков 19 с прижимными гайками 22, шайбами 21 и прижимными втулками 20. Герметичность каналов 4 по их периметру обеспечивается за счет использования прокладок 2 из эластичного материала между пластинами 1 и резьбовых стяжек 24 с гайками 23, стягивающих пакет попарно соединенных между собой пластин с помощью прижимных рам 25.

Термические расширения элементов предлагаемого устройства компенсируются как за счет их свободного перемещения, так и, частично, за счет их упругой деформации.

Пластинчатый аппарат воздушного охлаждения найдет применение для условий работы, когда давление охлаждаемого продукта не сильно отличается от атмосферного давления, при сравнительно малых разностях температур теплоносителей, ограниченной площади территории для размещения устройства.

Предлагаемое устройство имеет следующие преимущества:

- конструкция проста и технологична;

- высокая ремонтопригодность;

- высокая степень унификации;

- противоточное движение теплоносителей;

- охлаждение технологического продукта до температуры максимально приближенной к температуре охлаждаемого атмосферного воздуха;

- повышенная теплотехническая эффективность за счет высокой равномерности распределения расходов теплоносителей по проточным каналам.

Для иллюстрации преимуществ предлагаемого устройства сравним температурные показатели работы серийного АВО с оребренными трубами, работающего по схеме перекрестно-противоточного движения теплоносителей, и предлагаемого пластинчатого аппарата воздушного охлаждения, работающего по схеме противотока. В аппаратах охлаждается керосин с начальной температурой 104°С. Температура воздуха на входе в аппараты составляет 26°С. В первом из названных аппаратов керосин охлаждается до 43°С при температуре воздуха на выходе 44,75°С. При тех же расходах теплоносителей в предлагаемом устройстве керосин охлаждается до 35°С, а воздух соответственно нагревается до 47,2°С. Более низкая температура охлаждения керосина в предлагаемом аппарате способствует значительному сокращению потерь при хранении керосина за счет уменьшения его испарения. Металлоемкость предлагаемого устройства более чем в 4 раза ниже по отношению к АВО с оребренными трубами.

Источники информации

1. Скобло А.И., Трегубова И.А., Молоканов Ю.К. Процессы и аппараты нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. М.: Химия, 1982. С. 501.

2. Патент RU №2075714, МПК F28D 1/04, опубл. 20.03.1997.

3. Патент RU №2549059, МПК F28D 1/00, опубл. 20.04.2015.

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в теплообменных устройствах воздушного охлаждения. В пластинчатом аппарате воздушного охлаждения распределительная и сборная камеры имеют трубчатую форму с отверстиями по образующим для прохода охлаждаемого продукта, прошивают гофрированные пластины в направлении, перпендикулярном плоскости пластин, и снабжены уплотнениями по периметру в местах прохода через пластины, с одной своей стороны распределительная и сборная камеры имеют резьбовые хвостовики, прижимные втулки и прижимные гайки, а с другой, противоположной, стороны имеют опорные кольца и соединены со штуцерами, к боковым гофрированным пластинам примыкают прижимные рамы, соединенные между собой резьбовыми стяжками. Кроме того, на пластинах аппарата выполнены поперечные гофры в виде валиков со стороны прохода воздуха, которые являются турбулизаторами, а со стороны прохода охлаждаемого продукта - продольные гофры, которые являются дистанционирующими элементами. Технический результат - повышение эффективности работы устройства, его ремонтопригодности и обеспечение снижения температуры охлаждения продукта. 3 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Пластинчатый аппарат воздушного охлаждения, включающий попарно соединенные гофрированные пластины, образующие чередующиеся между собой каналы для прохода потоков охлаждающего воздуха и охлаждаемого продукта, распределительную и сборную камеры, штуцеры, вентилятор с электродвигателем, отличающийся тем, что попарные соединения гофрированных пластин выполнены с использованием прокладок из эластичного материала по периметру пластин и являются разъемными, внешние боковые стенки воздушных каналов образованы сплошными непроницаемыми для воздуха проставками между парами соединенных друг с другом гофрированных пластин, при этом со сторон входа воздуха в воздушные каналы и выхода из них установлены проницаемые для воздуха проставки, распределительная и сборная камеры имеют трубчатую форму, отверстия по образующим для прохода охлаждаемого продукта, прошивают гофрированные пластины в направлении, перпендикулярном плоскости пластин, и снабжены уплотнениями по периметру в местах прохода через пластины, на одной стороне распределительной и сборной камер выполнены резьбовые хвостовики, прижимные втулки и прижимные гайки, а на другой, противоположной, стороне выполнены опорные кольца и соединены со штуцерами, кроме того, к боковым гофрированным пластинам примыкают прижимные рамы, соединенные между собой резьбовыми стяжками.

2. Пластинчатый аппарат воздушного охлаждения по п. 1, отличающийся тем, что со стороны выхода из каналов охлаждающего воздуха установлен конфузор, в узкой части которого размещен вентилятор.

3. Пластинчатый аппарат воздушного охлаждения по п. 1, отличающийся тем, что поперечные гофры на пластинах расположены в направлении, перпендикулярном направлению движения потока воздуха, продольные гофры расположены в направлении движения потока воздуха, причем поперечные гофры выполнены в виде валиков на сторонах пластин, обращенных в каналы для прохода воздуха, и являются турбулизаторами для потоков воздуха в каналах, а продольные гофры выполнены на сторонах пластин, обращенных в каналы для прохода охлаждаемого продукта, и являются дистанционирующими элементами.

4. Пластинчатый аппарат воздушного охлаждения по п. 1, отличающийся тем, что гофрированные пластины выполнены с отбортовкой.