Аппарат воздушного охлаждения Российский патент 2023 года по МПК F28D9/00 F28D9/04 F28D7/04 

Изобретение относится к теплообменным аппаратам, а именно к аппаратам воздушного охлаждения (АВО) и может использоваться во многих отраслях промышленности, в энергетике и др. для охлаждения газовых и жидких потоков.

АВО широко применяются в химической, нефтегазоперерабатывающей, нефтехимической промышленности, на компрессорных станциях при транспортировке природного газа, в качестве сухих градирен в энергетике и т.д. АВО могут работать в широком диапазоне рабочих давлений и температур охлаждаемой среды и использоваться в разных климатических условиях. По конструкции и расположению секций различают АВО горизонтальные, с зигзагообразным расположением секций, трехконтурные, для малых потоков, шатровые.

АВО состоят из ряда трубчатых секций, расположенных горизонтально, вертикально, наклонно в виде шатра или зигзагообразно. По трубам секций пропускают охлаждаемую среду. Секции АВО представляют собой пучок из оребренных труб, собранных и закрепленных в трубных решетках, соединенных с коллекторами, к которым подводят трубопроводы, подающие или отводящие охлаждаемую среду.

С торцов аппарат закрыт металлическими стенками. Охлаждающий воздух засасывается вентилятором и продувается через трубчатые секции. Для повышения эффективности работы аппарата при относительно высокой температуре окружающего воздуха на входе в аппарат воздух после вентилятора увлажняется с целью снижения его температуры. Для этого предусмотрено специальное устройство с форсунками для увлажнения воздуха. Воздух через трубчатые секции прокачивается вентилятором, при этом поток воздуха может либо нагнетаться через пакет труб, либо вытягиваться из него. Преимущество нагнетания воздуха заключается в том, что вентилятор и привод находятся в холодном воздухе, что повышает эффективность вентилятора, упрощает крепление вентилятора и привода и облегчает обслуживание.

Секции АВО крепятся на раме, которая устанавливается на опоры. Вентилятор с приводом крепится или к общей раме, или устанавливается на собственном фундаменте. Иногда на одну секцию устанавливают несколько вентиляторов. Для защиты пакета труб секций от механических повреждений, дождя и града, применяются жалюзи, устанавливаемые над теплообменными секциями. В процессе эксплуатации имеет место забивка ореберных поверхностей труб пылью, что вызывает повышение аэродинамическое сопротивление потока охлаждающего воздуха и ухудшает теплообмен. Для прокачки воздуха через пучки теплообменных труб секций чаще всего применяют осевые вентиляторы пропеллерного типа с диаметром колеса от 0,8 до 7 м производительностью до 1,5 млн м³/час. Для обеспечения более равномерного распределения воздуха по трубам секции между вентилятором и секцией устанавливают диффузоры. (Н.П. Крюков, Химия, Москва, 1983 г., с. 168).

Для повышения коэффициента теплопередачи от охлаждаемой среды к воздуху увеличивают скорость воздуха, проходящего через секции. При этом применяют центробежные вентиляторы, имеющие более высокий напор воздуха. Регулирование количества воздуха, прокачиваемого через секции, осуществляется посредством изменения угла поворота лопастей вентилятора или закрытием и открытием жалюзей, установленных на входе воздуха в секции или на выходе воздушного потока из них.

Известно, что эффективность работы АВО зависит от температуры окружающего воздуха, которая в свою очередь зависит от времени года, времени суток, а также от отсутствия или наличия ветра, его направления и скорости.

Недостатком всех известных АВО также является неравномерное распределение охлаждаемой среды по коллекторам, по секциям, по трубным пучкам секций, а также неравномерное распределение охлаждающего воздушного потока по трубным пучкам секций. Как в полости охлаждаемой среды, так и в полости воздушного потока имеются застойные зоны или зоны с пониженной скоростью перемещения теплообменной среды. Это приводит к разным температурным условиям работы теплообменной поверхности секций, трубных пучков и отдельных труб, к разным температурам отдельных труб, к температурным перекосам, вызывающим возникновение повышенных механических напряжений в местах заделки труб в трубных досках, что иногда приводит к их разрушению. Низкая скорость и неравномерное распределение охлаждающего воздуха по трубным пучкам секций не позволяет поднять выше температуру нагретого воздуха, выходящего из секций, и приводит к необходимости прокачивания через секции дополнительное количество воздуха, что увеличивает энергопотребление привода вентилятора.

В традиционно применяемых АВО направление потоков охлаждаемой среды и воздуха, как правило, проводится перекрестным током, что также снижает коэффициент теплопередачи. Низкая скорость воздуха, выходящего из секций традиционно применяемых АВО, при отсутствии ветра или малом ветре 3-4 метра в секунду, приводит к возврату части нагретого воздуха с выхода из АВО на его вход и повышает при этом температуру воздуха на входе в АВО. Как правило, даже низкая скорость ветра, его порывы и изменения направления существенно нарушают режим работы АВО и стабильность процесса охлаждения.

Очень существенным недостатком традиционно применяемых АВО при их эксплуатации при отрицательных температурах окружающего воздуха и сильном ветре возможна конденсация компонентов охлаждаемой среды, например воды, переохлаждение и замерзание ее в отдельных трубах секций, что приводит к разрушению конструкции.

Недостатком традиционно применяемых АВО также является их громоздкость, необходимость больших площадей для их размещения. Большое количество рядом установленных АВО приводит к возврату части нагретого воздуха с выхода аппарата на его вход, что, в свою очередь, ведет к росту температуры охлаждающего воздуха на входе в АВО и снижает эффективность охлаждения.

Общим недостатком всех известных АВО также является большое энергопотребление, что делает их дорогими в эксплуатации. Высокая потребляемая мощность привода вентиляторов вызвана большим аэродинамическим сопротивлением охлаждающего воздуха при движении его через оребрение пучков труб, которое выполнено избыточным из-за неравномерного распределения потока воздуха по теплообменной поверхности.

Наиболее близким аналогом по технической сущности изобретения и достигаемому эффекту является теплообменный аппарат радиально-спирального типа по патенту «АППАРАТ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ТЕПЛООБМЕННЫХ И ДИФФУЗИОННЫХ ПРОЦЕССОВ» RU №2075020 от 30.05.1995 г. (F28D 7/04, F28D 9/00), содержащий цилиндрический корпус с патрубками для ввода и вывода реагента и теплоносителя, блоки тепло-обменных элементов, вертикально установленные внутри корпуса последовательно один за другим.

Теплообменные поверхности блоков сформированы из теплообменных элементов, представляющих собой попарно сваренные по контуру гладкие или гофрированные спиралеобразные стенки, образующие внутренний спиралеобразный щелевой канал (внутренняя полость). Теплообменные элементы устанавливаются таким образом, что между ними образуется наружный спиралеобразный щелевой канал (наружная полость). Теплообменные элементы спиралеобразной формы плотно прилегают друг к другу, образуя при этом блок теплообменных элементов. Блоки теплообменных элементов устанавливаются друг на друга, формируя при этом необходимую теплообменную поверхность.

Внутренние спиралеобразные полости теплообменных элементов сообщаются с коллекторами входа и выхода одного потока теплообменной среды, наружные спиралеобразные полости теплообменных элементов сообщаются с коллекторами входа и выхода другого потока среды.

Недостатком указанного аппарата для применения в качестве АВО является то, что при отрицательных температурах окружающей среды и сильных порывах ветра возможна конденсация и замерзание, например, воды, содержащейся в охлаждаемой среде в спиралеобразных щелевых каналах, что может привести к разрушению конструкции.

Задачей настоящего изобретения является повысить эффективность работы АВО при проведении процессов охлаждения газовых или жидких сред воздухом, обеспечить компактность конструкции, исключить возможность замерзания компонентов охлаждаемой среды в зависимости от направления ветра при отрицательных температурах окружающего воздуха, обеспечить надежную защиту теплообменных поверхностей от механических повреждений, дождя, града, забивки пылью.

Задачей настоящего изобретения также является повышение интенсивности теплообмена, создание АВО, который обеспечивал бы более высокие значения коэффициента теплопередачи от воздуха к охлаждаемой среде, увеличение надежности и упрощение обслуживания аппарата при эксплуатации.

Задачей настоящего изобретения также является сокращение потребления электроэнергии для приводов вентиляторов охлаждающего воздуха.

Для решения поставленных задач предлагается АВО, включающий корпус аппарата, в котором вдоль его продольной оси вертикально установлены один пли несколько друг за другом теплообменных блоков радиально-спирального типа. Каждый блок имеет изолированные друг от друга внутреннюю и наружную полости для прохода охлаждаемой теплообменной среды и охлаждающего воздуха. Одна из теплообменных сред перемещается в радиально-спиральном, а другая - в аксиальном направлении. Каждая полость представляет собой внутренние и наружные спиралеобразные щелевые каналы, один из которых соединен с патрубками входа и выхода охлаждаемой среды, а другой - с камерами входа и выхода охлаждающего воздуха. Камера входа воздуха соединена с воздуховодом нагнетания осевого или центробежного вентилятора, в которой размещено устройство для впрыска воды, отличающийся тем, что на камере выхода воздуха из теплообменного аппарата размещен дефлектор Т-образной формы, который может свободно вращаться вокруг вертикальной оси аппарата и приводящийся во вращательное движение ветровым потоком воздуха, причем дефлектор жестко соединен с флюгером, который поворачивает дефлектор выхода воздуха в сторону направления движения ветрового потока. Такое конструктивное выполнение аппарата повышает эффективность работы АВО при проведении процессов охлаждения газовых или жидких сред воздухом за счет равномерного распределения воздуха и охлаждаемой среды по теплообменной поверхности аппарата, при этом весь проходящий через аппарат воздух участвует в процессе теплообмена. При установке двух и более теплообменных блоков вдоль вертикальной оси аппарата обеспечивается противоток охлаждаемой среды и потока воздуха. Применение теплообменных блоков радиально-спирального типа решает вопрос компактности конструкции, а использование вращающегося дефлектора Т-образной формы, жестко соединенного с флюгером, поворачивает выход воздуха из аппарата в сторону направления ветрового потока и исключает возможность замерзания компонентов охлаждаемой среды при отрицательных температурах окружающего воздуха. Такое решение обеспечивает высокие значения коэффициента теплопередачи от воздуха к охлаждаемой среде, повышает надежность аппарата и упрощает его обслуживание при эксплуатации.

Для снижения потери давления воздуха в АВО на выходе из дефлектора может быть установлен расширяющийся диффузор.

При достаточно стабильном напоре ветрового потока АВО может работать без включения привода вентилятора. При этом воздух поступает в аппарат через дефлектор, а флюгер устанавливается на дефлекторе таким образом, чтобы поворачивать вход воздуха в дефлектор навстречу движению ветрового потока.

Применение для процесса теплообмена охлаждаемой среды и воздуха теплообменных блоков радиально-спирального типа обеспечивает организованное и равномерное распределение теплообменных сред по теплообменным поверхностям, исключает застойные зоны, исключает температурные перекосы в элементах теплообменного аппарата, исключает возможность возникновения мест с высокой концентрацией механических напряжений от температурного расширения металла, приводящих к разрушению элементов аппарата и в целом повышает надежность работы аппарата. Применение для процесса теплообмена охлаждаемой среды и воздуха теплообменных блоков раднально-спирального типа обеспечивает равные условия прохождения каждой среды через свою полость, создавая при этом равные условия работы всей теплообменной поверхности, при этом направление потоков охлаждаемой среды и воздуха реализуется противотоком, что значительно повышает коэффициент теплопередачи. Это обстоятельство позволяет уменьшить количество воздуха, прокачиваемое через аппарат, поднять его температуру на выходе из аппарата.

Применение компактных теплообменных блоков радиально-спирального типа позволяет сократить площади для размещения аппаратов предлагаемого типа.

Установка дефлектора Г-образной формы на камере выхода воздуха из аппарата, свободно вращающегося вокруг вертикальной оси аппарата, который приводится во вращательное движение ветровым потоком воздуха посредством флюгера, жестко соединенным с дефлектором, и устанавливает направление выхода воздуха из аппарата в направлении движения ветрового потока воздуха, исключает наддув воздуха в наружные щелевые полости теплообменного аппарата, а также обеспечивает стабильный режим работы аппарата, что особенно важно при эксплуатации аппарата в условиях отрицательных температур воздуха и сильных порывах ветра, как это происходит при использовании АВО в районах Крайнего Севера и Арктической зоны.

В зависимости от назначения АВО и климатической зоны его использования узел крепления дефлектора с флюгером может быть разъемным для обеспечения возможности эксплуатации аппарата в течение года по любому варианту применения вращающегося дефлектора.

В дальнейшем изобретение поясняется конкретным примером его выполнения и прилагаемыми чертежами фиг. 1 и 2, на которых схематично изображены:

на фиг. 1 - продольный разрез аппарата воздушного охлаждения с осевым вентилятором и одним теплообменным блоком;

на фиг. 2 - продольный разрез аппарата воздушного охлаждения с центробежным вентилятором, с двумя теплообменными блоками и расширяющимся диффузором.

В цилиндрическом корпусе 1 аппарата воздушного охлаждения, вдоль его продольной осп вертикально установлены один или несколько друг за другом теплообменных блоков 2 радиально-спирального типа. В нижней части АВО под теплообменным блоком 2 размещена камера 3 входа воздуха. В камере 3 входа воздуха размещены снизу вверх: патрубок 5 входа воздуха в аппарат, жалюзи 9 для регулирования количества подаваемого воздуха в аппарат и устройство для увлажнения воздуха 7 с патрубком 8 подвода умягченной воды. Воздух подается осевым вентилятором 4 или центробежным вентилятором 6. В верхней части АВО над теплообменным блоком 2 размещена камера 10 выхода нагретого воздуха из теплообменного блока 2. На верху камеры 10 установлен Г-образный дефлектор 11, который может свободно вращаться вокруг продольной оси 12 аппарата. На дефлекторе 11 посредством жесткого соединения 13 закреплен флюгер 14, который под напором ветра поворачивает дефлектор 11 так, чтобы выход нагретого воздуха 15 из дефлектора 11 был направлен в сторону движения ветра. Охлаждаемая среда поступает в теплообменный блок по патрубку 16 и выходит из него по патрубку 17. На выходе воздуха из Г-образного дефлектора 11 может быть установлен расширяющийся диффузор 18.

Изобретение относится к теплообменным аппаратам, а именно к аппаратам воздушного охлаждения. В цилиндрическом корпусе аппарата воздушного охлаждения, вдоль его продольной оси вертикально установлены один или несколько друг за другом теплообменных блоков радиально-спирального типа. В нижней части аппарата размещена камера входа воздуха, в которой размещены снизу вверх: патрубок входа воздуха в аппарат, жалюзи для регулирования количества подаваемого воздуха в аппарат и устройство для увлажнения воздуха. Воздух подается осевым или центробежным вентилятором. В верхней части аппарата размещена камера выхода нагретого воздуха, над которой установлен свободно вращающийся вокруг оси аппарата Г-образный дефлектор. На дефлекторе посредством жесткого соединения закреплен флюгер, который под напором ветра поворачивает дефлектор так, чтобы выход нагретого воздуха из дефлектора был направлен в сторону движения ветра. Технический результат - исключение возможности замерзания компонентов охлаждаемой среды при отрицательных температурах окружающего воздуха, повышение интенсивности теплообмена. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Аппарат воздушного охлаждения, включающий в себя цилиндрический корпус, в котором вдоль его продольной оси вертикально установлены один или несколько друг за другом теплообменные блоки радиально спирального типа, каждый блок имеет изолированные друг от друга внутреннюю и наружную полости дня прохода теплообменных сред: одна из которых перемещается в радиально-спиральном, а другая в аксиальном направлении, каждая полость представляет собой внутренние и наружные спиралеобразные щелевые каналы, одни из которых соединены с патрубками входа и выхода охлаждаемой среды, а другие - с камерой входа и выхода воздуха, причем камера входа воздуха содержит последовательно установленные по ходу движения воздуха жалюзи и устройство для впрыска воды и соединена с воздуховодом нагнетания осевого или центробежного вентилятора, отличающийся тем, что сверху камеры выхода воздуха из теплообменных блоков размещен дефлектор Г-образной формы, жестко соединенный с флюгером, при этом дефлектор может свободно вращаться вокруг вертикальной оси аппарата и под напором ветра устанавливается таким образом, чтобы выход воздуха из дефлектора был направлен в сторону движения ветра.

2. Аппарат воздушного охлаждения по п. 1, отличающийся тем, что при установке двух и более теплообменных блоков обеспечивается противоток движения охлаждаемой среды и охлаждающего воздуха.

3. Аппарат воздушного охлаждения по п. 1, отличающийся тем, что при достаточно стабильном напоре ветрового потока аппарат может быть использован без работающего вентилятора, при этом вход воздуха в аппарат осуществляется через Г-образный дефлектор, разворачиваемый флюгером навстречу движения ветрового потока.

4. Аппарат воздушного охлаждения по п. 1, отличающийся тем, что на выходе воздуха из Г-образного дефлектора может быть установлен расширяющийся диффузор.