ТЕПЛООБМЕННОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2023 года по МПК F28D7/16 

Изобретение относится к теплотехническому оборудованию, в частности к аппаратам поверхностного типа для использования теплоты отходящих газов, в котором теплообмен между теплоносителями осуществляется непрерывно через разделяющую их стенку.

Известны теплообменные аппараты поверхностного типа, в которых перенос тепла между обменивающимися теплом средами происходит через разделяющую их поверхность теплообмена, глухую стенку. К числу наиболее часто применяемых поверхностных теплообменников -относятся кожухотрубчатые теплообменники, содержащие корпус, входной и выходной коллекторы и пучок теплообменных прямых труб, закрепленных в трубных решетках (А.Г. Касаткин Основные процессы и аппараты химической технологии. Издательство Альянс, Москва, 2004, стр. 326-330).

Основными недостатками указанных конструкций является недостаточно интенсивный теплообмен в связи с низким коэффициентом теплопередачи из-за слабой турбулизации потоков, проходящих как внутри труб, так и в межтрубном пространстве, высокая материалоемкость и значительные габариты. Кроме того, в теплообменниках с приваренными к корпусу трубными решетками при разности температур труб и кожуха, приблизительно равной или большей 50°С, трубы и кожух удлиняются неодинаково. Это вызывает значительные напряжения в трубных решетках, может нарушить плотность соединения труб с решетками, привести к разрушению сварных швов, недопустимому смешению обменивающихся теплом сред. Для компенсации температурных удлинений, возникающих между кожухом и трубками, необходима возможность свободного удлинения труб. Простейшим устройством для компенсации температурных удлинений является линзовый компенсатор, который устанавливается в корпусе теплообменника и компенсирует температурные деформации осевым сжатием или расширением.

Для уменьшения температурных деформаций, обусловленных большой разностью температур труб и кожуха, значительной длиной труб, а также различием материала труб и кожуха, иепользуют теплообменники с U-образными греющими трубами. Эти теплообменники имеют одну трубчатую решетку, в которой закреплены оба конца U-образных труб. (А.Г. Касаткин Основные процессы и аппараты химической технологии. Издательство Альянс, Москва, 2004, стр. 326-330).

В кожухотрубчатом теплообменнике с U-образными трубами сами трубы выполняют функцию компенсирующих устройств. При этом упрощается и облегчается конструкция аппарата, имеющего лишь ОДНУ неподвижную трубную решетку. Наружная поверхность труб может быть легко очищена при выемке всем трубчатки из корпуса аппарата. Кроме того, в теплообменниках такой конструкции, являющихся двух- или многоходовыми, достигается довольно интенсивный теплообмен. Недостатки теплообменников с U-образными трубами: трудность очистки внутренней поверхности труб, сложность размещения большого числа труб в трубной решетке.

Известны теплообменники поверхностного типа для использования теплоты отходящих газов, в которых теплообмен между теплоносителями осуществляется непрерывно через разделяющую их стенку, такие теплообменные аппараты называются рекуператорами.

Так в патенте RU 2099663, МПК F28D 1/03, F28F 3/02, опубл. 20.12.1997 описай теплообменник, который может быть использован в качестве рекуператора. Корпус теплообменника снабжен подводящими и отводящими коллекторами для каждой теплообменной среды. Теплообменник имеет компактную теплообменную поверхность. Пространство, охваченное корпусом, разделено на зоны, в пределах которых расположены теплообменные элементы, состоящие из множества стенок. Каждая стенка соединена с наружного края с одной смежной стенкой, а с внутреннего края - с другой смежной стенкой, образуя при этом каналы для циркуляции теплообменных сред. Каналы расположены в пределах зоны таким образом, что стенки теплообменных элементов одной, зоны обращены внутренними краями к внутренним краям стенок теплообменных элементов смежных зон или к стенке теплообменного элемента смежной зоны. Для образования трактов циркуляции теплообменных сред предусмотрено средство перекрытия каналов. В каналах, стенки которых соединены с внутреннего края, указанное средство полностью перекрывает их сечение. В каналах, стенки которых соединены с наружного края, их сечение перекрыто частично - со стороны наружного края, при этом средство перекрытия снабжено общим герметизирующим элементом, на котором закреплен коллектор подвода или отвода теплообменной среды. Стенки крайних каналов, расположенных в смежных зонах, соединены компенсаторами.

В конструкции известного теплообменника использован тонколистовой материал больших размеров, жесткость которого способна оказать влияние, как на сборку, так и на работу теплообменника. Так при эксплуатации теплообменника прохождение теплового потока вдоль передающих тепло элементов, выполненных из тонколистового материала, не позволяет обеспечить равномерное распределение температуры по площади каждого теплообменного элемента. Компенсатор, соединяющий стенки теплообменных элементов, расположенных в смежных зонах, неспособен в полном объеме компенсировать тепловое расширение листового материала, что ведет к местной деформации перегородок (средств перекрытия каналов) в разные стороны, из-за чего возможны изменения проходных сечений каналов, приводимые к снижению эффективности теплообменного аппарата.

В патенте RU №2419034, МПК F23L 15/04 опубл. 20.05.2011 описан сеточный рекуператор, у которого теплообменная поверхность сконструирована в виде пакетов (модулей), составленных из определенного количества сеточных матриц (сеток), составленных из трубных структур. Рекуператор имеет двойной корпус с патрубками подвода и отвода теплоносителей, при этом низкотемпературный теплоноситель высокого давления движется в теплообменных трубах, а высокотемпературный теплоноситель низкого давления движется в межтрубном пространстве. Теплообменные трубы неподвижно закреплены в трубных досках и объединены, по меньшей мере;, в один одномодульный блок рекуператора, представляющий собой единичный теплообменный пакет, составленный из ряда «сеток» (сеточных матриц). То есть теплообменный пакет, составлен из наборов продольных и поперечных теплообменных труб, сплетенных между собой в виде ортогональной или диагональной сетки подобно тому, как сплетены из ниток, например, хлопчатобумажные ткани. При этом сеточная матрица может быть сплетена из труб, в том числе различного как по площади, так и по конфигурации поперечного сечения. Матрицы, собранные в модуль, объединяются трубопроводами высокого давления, установленными по углам трубных досок. Пакеты сеточных матриц, состоящие из необходимого числа сеток, объединены в отдельные модули, общее количество которых определяет в рекуператоре число перекрестных ходов среды высокого давления относительно течения среды низкого давления.

В патенте RU 2483265, МПК F28F 27/02, опубл. 27.05.2013 г. описан рекуператор, который включает в себя канал для нагретого газа; впускной трубопровод; выпускной трубопровод; а также прямоточную поверхность нагрева, расположенную в канале для нагретого газа и образованную множеством первых однорядных трубно-коллекторных узлов и множеством вторых однорядных трубно-коллекторных узлов. Каждый из множества первых однорядных трубно-коллекторных узлов, включающих множество первых генераторных теплообменных труб, соединен параллельно для прохождения сквозного потока текучей среды; а также содержит впускной коллектор, соединенный с впускным трубопроводом. Каждый из множества вторых однорядных трубно-коллекторных узлов, включающих множество вторых теплообменных труб, соединен параллельно для прохождения сквозного потока текучей среды, поступающего из соответствующих первых теплообменных труб; а также содержит выпускной коллектор, соединенный с выпускным трубопроводом. Каждый из впускных коллекторов соединен с впускным трубопроводом, по меньшей мере, одной соответствующей трубой из множества первых соединительных труб, а каждый из выпускных коллекторов соединен с выпускным трубопроводом, по меньшей мере, одной соответствующей трубой из множества вторых соединительных труб.

Конструкция рекуператора позволяет обеспечить быстрый нагрев и охлаждение и характеризуется увеличенным ресурсом работы. Однако, из описания конструкции не ясно, каким образом компенсируется тепловое расширение корпуса аппарата, в котором трубы в процессе эксплуатации удлиняются.

В патенте RU 2527772 МПК F28F 1/12, F28D 7/08, 1/047, опубл. 10.09.2014 описан теплообменный аппарат с пучком теплообменных серпантинообразных оребренных труб (прототип). Пучок устанавливают в корпусе аппарата, в котором имеются входной и выходной каналы для подачи газообразного теплоносителя. Выполнение оребренной трубы не прямой, а серпантинообразной приводит к увеличению поверхности теплообмена за счет удлинения трубы и дополнительной интенсификации теплообмена, вызванной турбулизацией потока нагреваемой среды. В процессе эксплуатации нагреваемой средой являются жидкости и газы, которые подаются через штуцер ввода, установленный в камере теплообменной секции пучка теплообменных оребренных серпантинообразных труб. Нагреваемая среда при прохождении по внутренним каналам серпантинообразных труб, воспринимает теплоту от теплоносителя, омывающего внешнюю поверхность теплообменных серпантинообразных оребренных труб со всех сторон, нагревается и выводится через выходной штуцер. При этом теплоносителем являются дымовые газы, образовавшиеся при сгорании топлива в энергетических установках (печах, котлах, газотурбинных установках и т.д.), которые по входному каналу поступают внутрь корпуса аппарата.

Эксплуатация теплообменного аппарата требует создания большого давления, так как увеличивается гидравлическое сопротивление таких труб. Эффективность работы теплообменного аппарата с теплообменными трубами серпантинообразной конфигурации со временем снижается в несколько раз из-за засорения межтрубного пространства, поскольку примеси, содержащиеся в теплоносителе, могут оседать на ребрах серпантинообразных труб и накапливаться между ребрами. В этой связи для эффективной работы теплообменного аппарата необходимо использовать только чистый без примесей теплоноситель.

Задача - создание теплообменного устройства для обогрева помещений за счет использования тепла отходящих дымовых газов, обеспечивающего при простоте конструкции эффективность теплообмена и компенсацию теплового расширения.

Технический результат - эффективность теплообмена и компенсация теплового расширения рекуперативного теплообменного устройства.

Указанный технический результат достигается в теплообменном устройстве, содержащем корпус, входной и выходной коллекторы с устройствами ввода и вывода горячего и холодного потоков газообразного теплоносителя, а также пучок установленных в корпусе теплообменных изогнутых труб, закрепленных в трубных решетках. Согласно изобретению каждая из теплообменных труб d≤12 мм изогнута в виде кривошипной рукоятки, имеющей в одной плоскости параллельные между собой участки а, с. которые расположены под углом 90° к участку b и направлены в разные стороны от него. При этом стенки корпуса выполнены по типу трубных решеток с отверстиями для закрепления концов теплообменных труб. Причем в каждой паре трубных решеток, определяемой взаимно противоположными стенками корпуса, отверстия расположены вертикальными рядами. Эти вертикальные ряды в пределах верхней и нижней половин поверхности каждой из решеток между собой разнесены на расстояние 3d и смещены на расстояние 1,5d в расположении верхней половины решетки относительно нижней. Так при этом между вертикальными рядами отверстий в верхней половине одной решетки расположен ряд отверстий, выполненных на нижней ее половине. А на противоположной решетке в обратном порядке, при котором ряд отверстий в верхней половине расположен между рядами отверстий в нижней половине. Причем в каждой паре одна из решеток оборудована в нижней половине трубами одного пучка, обращенными участками а на вход теплоносителя, а в верхней половине трубами второго пучка, обращенными участками с на выход теплоносителя. Соответственно трубы первого пучка, обращенные на выход теплоносителя участками с, закреплены на верхней половине противоположной решетки, а на ее нижней половине закреплены трубы второго пучка, обращенные участками а на вход теплоносителя. При этом длины входных участков а, которые установлены в отверстиях, пронумерованных в вертикальных рядах снизу вверх от 1 до n на нижней половине каждой из решеток, представлены в виде последовательности чисел a₁, a₂, а₃, … a_n, в которой каждый следующий элемент, начиная со второго, меньше предыдущего. А длины выходных участков с, установленных в отверстиях верхней половины каждой решетки, аналогично пронумерованных снизу вверх, представлены в виде последовательности чисел c₁, c₂, с₃, … с_n, в которой каждый следующий элемент больше предыдущего. При этом для всех труб участки b, имеющие одинаковую длину, расположены в соответствии с пространственным положением стенок корпуса, определяющих каждую пару трубных решеток в трехмерной системе координат по осям X, Y, Z.

Помимо этого в частном случае выполнения теплообменного устройства изогнутые трубы выполнены из труб, имеющих геликоидную форму.

Причем в другом частном случае выполнения теплообменного устройства изогнутые трубы выполнены из витых труб, имеющих в поперечном сечении форму типа «конфузор-диффузор».

Кроме того, в третьем частном случае выполнения теплообменного устройства изогнутые трубы, выполнены из закрученных по спирали труб, имеющих в поперечном сечении форму эллипса.

А в четвертом частном случае выполнения теплообменного устройства изогнутые трубы выполнены из закрученных по спирали труб, имеющих в поперечном сечении форму овоида.

Особенность теплообменного устройства в пятом частном случае в том, что изогнутые трубы выполнены из закрученных по спирали труб Шаубергера, имеющих в поперечном сечении форму овоида с вогнутостью с одной стороны.

Как и в прототипе, использование изогнутых труб по сравнению с использованием прямых труб позволяет увеличить поверхность теплообмена. В заявляемом устройстве в отличие от прототипа и других, известных из уровня техники устройств изменена конфигурация труб. При выполнении труб их изгибают с образованием трех участков а, b, с в теплообменном устройстве обеспечивается изменение направления потока рабочей среды на угол более двух раз на угол 90°, т.е. теплообмен осуществляется в разных направлениях одновременно. Компоновка таких труб, закрепленных по заданной схеме расположения отверстий на стенках корпуса, выполненных как трубные решетки, позволяет обеспечить заполнение всего межтрубного пространства для создания большой поверхности теплообмена и его эффективности. Для обеспечения заполнения всего межтрубного пространства при заявляемой конфигурации труб важным является расположение отверстий рядами, смещенными верхней и нижней половинах поверхности каждой из решеток. При этом трубы невозможно будет установить внутри корпуса, если не будет соблюден обратный порядок расположения рядов отверстий на нижней и верхней половинах поверхности одной из трубных решеток по отношению к другой. Вместе с тем переменные величины длин участков a и с в указанных последовательностях являются необходимым условием для размещения внутри корпуса труб измененной конфигурации. В заявляемом устройстве в отличие от прототипа количество отложений на трубах будет минимальным, поскольку, во-первых, на трубах отсутствует оребрение. Во-вторых, внутри аппарата происходит разрушение отложений на участках а, b, с труб вследствие их температурных деформаций осевого сжатия или расширения. При изменении конфигурации труб нет необходимости в установке дополнительных средств компенсации теплового расширения в виде линзового компенсатора, плавающей головки или сальникового компенсатора, что упрощает конструктивное исполнение корпуса устройства.

Для каждой из попарно противоположных стенок корпуса, выполненных в виде трубных решеток, трубы установлены двумя пучками в виде модулей и развернуты друг относительно друга на 90°, что позволит увеличить тепловую эффективность теплообменника, или использовать теплообменный аппарат для нагрева двух сред одновременно от одного теплоносителя. При выполнении отверстий на каждой из четырех стенок корпуса, т.е. с четырьмя трубными решетками (фиг. 1) обеспечивается возможность нагревать две среды параллельно от одного теплоносителя и, наоборот, одну среду от двух разных теплоносителей. В общем случае выполнения теплообменного устройства каждая из изогнутых труб имеет круглую форму в поперечном сечении. В частных случаях выполнения теплообменного устройства изогнутые трубы имеют в поперечном сечении другую форму в отличие от круглой (геликоидная форма, форма типа «конффузор диффузор», форма эллипса, овоида или форма овоида с вогнутостью с одной стороны), что позволяет при расширении ассортимента обеспечить увеличение передачи тепла и уменьшение отложений на трубах.

Заявляемое техническое решение поясняется чертежами. На фигуре 1 представлен общий вид теплообменного устройства; фиг. 2 - вид устройства, внутри которого размещен 1 пучок теплообменных труб; фиг. 3 - вид устройства сбоку, со стороны одной трубной решетки, ориентированной по оси Y; фиг. 4 - то же со стороны другой трубной решетки; фиг. 5 - сечение А-А на фиг. 3, 4; фиг. 6 - вид устройства с внутренним расположением труб (трубы одного и другого пучка выделены черной и белой окраской относительно решеток, ориентированных по оси Y); фиг. 7 - схема расположения отверстий на частях (верхней и нижней) поверхности одной из трубных решеток; фиг. 8 - теплообменная труба; фиг. 9 - пример положения труб одного пучка относительно труб другого пучка (показаны четыре трубы, закрепленные в решетках, ориентированных по оси Y); фиг. 10 - пример положения труб внутри корпуса при ориентации решеток по осям координат (показано положение участков b части труб в соответствии с осями X, Y, Z); фиг. 11 - изогнутая труба геликоидной формы с увеличенным фрагментом; фиг. 12 - изогнутая труба витой формы типа «конффузор диффузор» и ее увеличенный фрагмент; фиг. 13 - изогнутая труба в форме закрученного по спирали эллипса; фиг. 14 - то же в форме закрученного по спирали вокруг своей оси овоида; фиг. 15 - то же в форме закрученного по спирали вокруг своей оси овоида, имеющего на одной стороне вогнутость, и ее увеличенный фрагмент.

Теплообменное устройство содержит корпус 1 прямоугольной формы. Внутри корпуса 1 установлены теплообменные изогнутые трубы 2, при этом стенки корпуса 1, расположенные противоположно друг другу, выполнены по типу трубных решеток 3, 4 с отверстиями для закрепления концов теплообменных труб 2. На корпусе 1 расположены коллекторы 5, 6 с устройствами ввода и вывода горячего и холодного потоков газообразного теплоносителя. Теплообменные трубы 2 изогнуты с образованием на каждой трубе участков а, b, с, причем участки а и с, находясь в одной плоскости друг с другом, расположены под углом 90° к участку b и направлены в разные стороны от него (фиг. 5). Отверстия, при выполнении которых на противоположных стенках корпуса Образованы трубные решетки, расположены рядами. Эти ряды отверстий на поверхностях трубных решеток, например на расположенных по оси Y решетках 3, 4, ориентированы в вертикальном и горизонтальном направлениях. Вертикальные и горизонтальные ряды отверстий на трубных решетках 3, 4 расположены друг от друга на расстоянии t₁=3d и t₂=1,5d соответственно (фиг. 2). Причем на верхней половине поверхности каждой из решеток 3, 4 вертикальные ряды отверстий смещены на 1,5d относительно вертикальных рядов, расположенных на нижней половине поверхности. При этом на указанных частях поверхности одной решетки, например, решетки 3 вертикальные ряды отверстий расположены в порядке, при котором между двумя рядами отверстий на верхней половине поверхности расположен вертикальный ряд отверстий, выполненных на нижней половине поверхности. На частях поверхности решетки 4 вертикальные ряды отверстий расположены в обратном порядке, при котором между двумя рядами отверстий на нижней половине поверхности расположен вертикальный ряд отверстий, выполненных на верхней половине поверхности. При этом на нижней половине поверхности решетки 3 трубы 2 концами участков а закреплены в отверстиях, которые снизу вверх пронумерованы от 1 до n в каждом вертикальном ряду. Тогда те же трубы 2, но концами участков c обращенные к верхней половине поверхности решетки 4, закреплены в отверстиях каждого вертикального ряда в порядке нумерации от I до II, начиная от середины поверхности решетки 4. Внутри корпуса 1 теплообменные трубы 2 расположены на расстоянии 1,5 d друг от друга. При этом у теплообменных труб, установленных внутри корпуса, длины участков b=const, а длины участков а и с - величины переменные. Так для труб 2, установленных внутри корпуса 1, длины участков а с учетом нумерации отверстий от 1 до n, представлены в последовательности чисел a₁, a₂, a₃; a₄, as, а₅, a₆, а₇ … a_n, в которой каждое следующее число, начиная со второго a₂, меньше предыдущего. Соответственно длины участков с тех же труб 2 внутри корпуса 1 в порядке закрепления их концов в отверстиях, пронумерованных в каждом вертикальном ряду от 1 до n, начиная от середины поверхности решеток, например, 3, 4, представляют соббй последовательность чисел c₁, c₂, c₃, c₄, c₅, c₆, c₇, c₈ … c_n, в которой каждое следующее число больше предыдущего. При этом участки b расположены в вертикальной ориентированной по оси Y плоскости в соответствии с пространственным положением стенок корпуса, определяющих пару трубных решеток 3, 4 (фиг .6, 9).. Аналогично, но в соответствии с положением стенок корпуса, определяющих другие пары трубных решеток, ориентированных по оси X или по оси Z, расположены участки b труб 2, закрепленных в этих решетках. Так на фиг. 10 представлено расположение части труб 2 внутри корпуса 1 для каждой пары решеток, ориентированных в трехмерной системе координат по осям X, Y, Z.

В первом частном случае выполнения теплообменное устройство имеет те же составные элементы, что и общем случае его выполнения. Уточнением является то, что каждая из изогнутых труб 2 имеет геликоидную форму (фиг. 11).

В другом частном случае теплообменное устройство, как и в общем случае, содержит такие же составные элементы за исключением того, что каждая из изогнутых труб 2 имеет витую форму типа «конффузор диффузор» (фиг. 12).

В третьем частном случае выполнения теплообменное устройство имеет те же составные элементы, что и общем случае его выполнения. Исключением является то, что каждая из изогнутых труб 2-имеет форму закрученного по спирали эллипса (фиг. 13).

В четвертом частном случае теплообменное устройство, как и в общем случае, содержит такие же составные элементы за исключением того, что каждая изогнутая труба 2 представляет собой закрученный по спирали вокруг своей оси овоид (фиг. 14).

В пятом частном случае отличием от общего случая выполнения теплообменного устройства каждая из изогнутых труб 2 выполнена по типу трубы Шаубергера, то есть имеет форму закрученного по спирали вокруг своей оси овоида с вогнутостью на одной стороне (фиг. 15).

Теплообменное устройство в конкретном примере его выполнения изготавливают, следующим образом. Исходя из размеров теплообменного устройства, например 438×438 мм, выбирают трубы диаметром 12 мм длиной 5 м в количестве 288 штук. Толщина стенок труб может быть выбрана из интервала 0,5-2,5 мм. Трубы изгибают, осуществляя на середине каждой трубы изгиб под углом 90° с образованием участка длиной b=216 мм, затем на конце образованного участка вновь выполняют изгиб под углом 90°. В результате на каждой трубе будут выполнены два находящиеся в одной плоскости участка а, С длиной примерно 2,5 м, расположенные под углом 90° по отношению к участку b, которые направлены в разные стороны от него. Затем из металлических листов размером 438×438 мм толщиной 2,5 мм изготавливают две трубные решетки. На каждом заготовленном под решетку металлическом листе размечают отверстия. Отверстия располагают рядами, ориентированными в вертикальном и горизонтальном направлениях. При этом по обе стороны от средней линии каждой размечаемой решетки вертикальные и горизонтальные ряды отверстий располагают друг от друга на расстоянии t₁=36 мм и t₂=18 мм соответственно. Но на верхней половине поверхности каждой из решеток вертикальные ряды отверстий располагают со смещением на расстояние, равное 1,5d, т.е. на 18 мм относительно вертикальных рядов, располагаемых на нижней половине поверхности. При этом на указанных частях поверхности одной решетки вертикальные ряды отверстий располагают в порядке, при котором между двумя рядами отверстий на верхней половине поверхности находится вертикальный ряд отверстий, выполняемых на нижней половине поверхности. На частях поверхности другой решетки вертикальные ряды отверстий располагают в обратном порядке (фиг. 7), при котором между двумя рядами отверстий на нижней половине поверхности находится вертикальный ряд отверстий, выполняемых на верхней половине поверхности. В каждом вертикальном ряду межосевое расстояние отверстий, равное 1,5 d, составляет 18 мм. Далее в одну решетку концами участков а вставляют подготовленные изогнутые трубы, заполняя на нижней половине поверхности решетки отверстия, находящиеся на одном уровне в горизонтальном направлении так, чтобы при этом в горизонтальном направлении за пределами решетки трубы имели вылет 200-250 мм. При установке трубы фиксируют технологическими креплениями. Затем аналогично размещают и фиксируют трубы в отверстиях, находящихся на следующем горизонтальном уровне (горизонтальный ряд, расположенный на расстоянии 1,5 d, которое составляет 18 мм от предыдущего ряда) и так далее. После этого на первой решетке трубы участками а устанавливают в отверстия каждого горизонтального ряда на верхней половине поверхности данной решетки в направлении снизу вверх. По мере того, как нижняя и верхняя половины данной решетки будут укомплектованы трубами, обращенными к данной решетке участками а, на расстоянии 438 мм от нее в соответствии с габаритами теплообменного устройства выставляют вторую трубную решетку, в отверстия которой должны быть введены обращенные к ней участками с трубы. При установке соответствующих концов труб во вторую решетку должен быть соблюден тот же вылет концов труб за пределы второй трубной решетки, что и для первой. Установку труб, которые соответствующими концами установлены на нижней половине поверхности первой решетки, во вторую решетку начинают от ее середины с нижнего горизонтального ряда отверстий, расположенных на верхней половине поверхности второй решетки. И наоборот, трубы, которые соответствующими концами установлены на верхней половине поверхности первой решетки, во второй решетке размещают снизу вверх от нижнего горизонтального ряда отверстий нижней половины поверхности второй решетки. Таким образом, в направлении снизу вверх соблюдается следующий порядок размещения труб в отверстиях обеих решеток: на нижней половине поверхности первой решетки устанавливаются трубы концами участков а, а их концы участков с установлены на верхней половине второй решетки. И наоборот, в направлении снизу вверх на верхней половине поверхности первой решетки установлены трубы концами участков а, а их концы участков c установлены на нижней половине второй решетки. После установки всех труб их закрепляют в отверстиях обеих решеток и отрезают выступающие на вылете концы труб. Затем к каждой из решеток под прямым углом устанавливают и приваривают соответствующие стенки корпуса теплообменника, выдерживая их параллельность. После сборки проверяют герметичность стыков. В примере конкретного исполнения внутри корпуса теплообменного устройства трубы концами участков а, обращенных к одной решетке, в направлении снизу вверх от нижнего края решетки до середины ее поверхности имеют длины, которые представлены последовательностью чисел 198, 180, 72, 54, 36, 18. Противоположные концы труб участками с, обращенными к другой трубной решетке, в направлении снизу вверх от середины поверхности до верхнего края решетки имеют длины, которые представлены последовательностью чисел 18, 36, 54, 72, 180, 198. При этом входное и выходное отверстие имеют Dy=100 мм, а высота входного и выходного коллекторов с устройствами ввода и вывода горячего и холодного потоков газообразного теплоносителя составляет 100 мм.

При реализации заявляемого устройства возможны и другие технологические приемы изготовления, например, когда все стенки корпуса, выполненные как трубные решетки, свариваются, а трубы в них устанавливают по одной послойно. При этом сначала в трубную решетку через отверстие вводят один конец трубы, затем ее поворачивают на 90° и размещают на свое место, а затем другой конец трубы устанавливают в соответствующем отверстии противоположной решетки. При изготовлении устройства также возможно использование 3D принтера, если габариты теплообменника позволяют его напечатать из металлического порошка.

Предлагаемый теплообменный аппарат был изготовлен и использован в качестве рекуператора для нагрева воздуха помещения, например бани. В частности, при установке внутри парильного отделения бани устройство позволило увеличить КПД дровяной печи за счет отбора тепла от дымовых газов.

Теплообменное устройство может быть использовано в качестве рекуператора и предназначено для нагрева помещений за счет теплоты отходящих газов. Теплообменное устройство содержит корпус 1 прямоугольной формы. Внутри корпуса 1 установлены теплообменные изогнутые трубы 2. Противоположно расположенные стенки корпуса 1 выполнены по типу трубных решеток, например, 3, 4 с отверстиями для закрепления концов труб 2. На корпусе 1 расположены коллекторы 5, 6 с устройствами ввода и вывода горячего и холодного потоков газообразного теплоносителя. Для обеспечения эффективности теплообмена и компенсации теплового расширения теплообменные трубы 2 изогнуты с образованием на каждой трубе участков а, b, с. Причем участки а и с находятся в одной плоскости, но расположены под углом 90° к участку b и направлены в разные стороны от него. Отверстия, при выполнении которых на противоположных стенках корпуса 1 образованы трубные решетки, расположены рядами, как например, на расположенных по оси Y решетках 3, 4. На верхней половине поверхности каждой из решеток 3, 4 вертикальные ряды отверстий смещены относительно вертикальных рядов, расположенных на нижней половине поверхности. При этом между двумя рядами отверстий на верхней половине поверхности решетки 3 расположен вертикальный ряд отверстий, выполненных на нижней половине ее поверхности. На частях поверхности решетки 4 вертикальные ряды отверстий расположены в обратном порядке, при котором между двумя рядами отверстий на нижней половине поверхности расположен вертикальный ряд отверстий, выполненных на верхней половине поверхности. При этом на нижней половине поверхности решетки 3 трубы 2 концами участков а закреплены в отверстиях, которые снизу вверх пронумерованы от 1 до n в каждом вертикальном ряду. Тогда те же трубы 2, но концами участков с обращенные к верхней половине поверхности решетки 4, закреплены в отверстиях каждого вертикального ряда в порядке нумерации от 1 до n, начиная от середины поверхности решетки 4. Внутри корпуса 1 теплообменные трубы 2 расположены на расстоянии 1,5 d друг от друга. Участки b всех установленных труб 2 имеют одинаковую длину и расположены в соответствии с пространственным положением стенок корпуса, определяющих каждую пару трубных решеток по осям X, Y, Z, а длины участков а и c - величины переменные. Изогнутые трубы 2 могут быть выполнены из труб геликоидной формы, из витых труб типа конфузор-диффузор, из труб, закрученных по спирали в форме эллипса, овоида или труб Шаубергера. 5 з.п. ф-лы, 15 ил.

1. Теплообменное устройство, содержащее корпус, входной и выходной коллекторы с устройствами ввода и вывода горячего и холодного потоков газообразного теплоносителя, пучок установленных в корпусе теплообменных изогнутых труб, закрепленных в трубных решетках, отличающееся тем, что каждая из теплообменных труб d≤12 мм изогнута с образованием параллельных между собой участков а, с, лежащих в одной плоскости, которые при этом расположены под углом 90° к участку b и направлены в разные стороны от него, стенки корпуса выполнены как трубные решетки и снабжены отверстиями для закрепления концов теплообменных труб, в каждой паре трубных решеток, определяемой взаимно противоположными стенками корпуса, отверстия расположены вертикальными рядами, друг от друга разнесенными на расстояние 3d в пределах верхней и нижней половин поверхности каждой из решеток, и на расстояние 1,5d смещенными в расположении на верхней половине решетки относительно нижней так, что между вертикальными рядами отверстий на верхней половине одной решетки расположен ряд отверстий, выполненных на нижней ее половине, а на противоположной решетке - в обратном порядке, при котором между рядами отверстий на нижней половине расположен ряд отверстий, выполненных на верхней половине решетки, в каждой паре одна из решеток оборудована в нижней половине трубами первого пучка, обращенными участками а на вход теплоносителя, а в верхней половине трубами второго пучка, обращенными участками с на выход теплоносителя, соответственно трубы первого пучка, обращенные на выход теплоносителя участками с, закреплены на верхней половине противоположной решетки, а на ее нижней половине - трубы второго пучка, обращенные участками а на вход теплоносителя, при этом длины входных участков а, которые установлены в отверстиях, пронумерованных в вертикальных рядах снизу вверх от 1 до n на нижней половине каждой из решеток, представлены в виде последовательности чисел а₁, а₂, а₃, … а_n, в которой каждый следующий элемент, начиная со второго, меньше предыдущего, а длины выходных участков с, установленных в отверстиях верхней половины каждой решетки, аналогично пронумерованных снизу вверх, представлены в виде последовательности чисел с₁, с₂, c₃, … с_n, в которой каждый следующий элемент больше предыдущего, при этом для всех труб участки b, имеющие одинаковую длину, расположены в соответствии с пространственным положением стенок корпуса, определяющих каждую пару трубных решеток в трехмерной системе координат по осям X, Y, Z.

2. Теплообменное устройство по п. 1, отличающееся тем, что изогнутые трубы выполнены из труб, имеющих геликоидную форму.

3. Теплообменное устройство по п. 1, отличающееся тем, что изогнутые трубы выполнены из витых труб, имеющих в поперечном сечении форму типа «конфузор-диффузор».

4. Теплообменное устройство по п. 1, отличающееся тем, что изогнутые трубы выполнены из закрученных по спирали труб, имеющих в поперечном сечении форму эллипса.

5. Теплообменное устройство по п. 1, отличающееся тем, что изогнутые трубы выполнены из закрученных по спирали труб, имеющих в поперечном сечении форму овоида.

6. Теплообменное устройство по п. 1, отличающееся тем, что изогнутые трубы выполнены из закрученных по спирали труб Шаубергера, имеющих в поперечном сечении форму овоида с вогнутостью с одной стороны.