Петлевой теплообменник Российский патент 2023 года по МПК F28D9/00 F28D9/02 F28F1/00 F28F1/02 

Изобретение относится к рекуперативным теплообменным устройствам и может быть использовано в химической, пищевой промышленности, энергетике и других отраслях техники для нагрева и охлаждения текучих сред.

Известен пластинчатый теплообменник [1] с теплопередающей поверхностью из тонких теплопроводящих листов, образующих щелевые каналы для прохода теплоносителей, отличающийся от широко используемых трубчатых теплообменников большей компактностью и меньшей удельной материалоемкостью. К недостаткам устройства [1] и других аналогичных устройств относится сложность изготовления, высокое гидравлическое сопротивление движению теплоносителей, обусловленное большим числом поворотов на пути их движения.

В известном пластинчатом теплообменнике [2] с листовой поверхностью теплопередачи гидравлическое сопротивление относительно невелико за счет одноходового движения теплоносителей. Недостатком является сложность конструкции и большое количество закладных уплотняющих элементов.

Известен спиральный теплообменник с теплопередающей поверхностью из листа в виде двухзаходной цилиндрической спирали внутри корпуса [3]. Данный теплообменник имеет повышенную интенсивность теплообмена потоков теплоносителей. К недостаткам относится сложность изготовления, трудности обеспечения герметичности каналов.

Известен теплообменник, содержащий цилиндрический корпус, листовую поверхность теплопередачи, размещенную внутри цилиндрического корпуса и образующую теплообменную матрицу с чередующимися каналами для первого и второго теплоносителей, соединенные разъемно с торцами цилиндрического корпуса крышки с входным и выходным патрубками для первого теплоносителя, уплотняющие прокладки, входной и выходной патрубки для второго теплоносителя [4] - прототип. Данный теплообменник имеет высокую компактность и может работать с теплоносителями при любом их фазовом состоянии. К недостаткам относится большое количество сварных швов между элементами теплопередающей поверхности, сложность и трудоемкость изготовления.

Техническая проблема, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в упрощении конструкции устройства и в возможности изготавливать поверхность теплопередачи из одного листа.

Поставленная проблема решается тем, что предлагаемый петлевой теплообменник, содержащий цилиндрический корпус, листовую поверхность теплопередачи, размещенную внутри цилиндрического корпуса и образующую теплообменную матрицу с чередующимися каналами для первого и второго теплоносителей, соединенные разъемно с торцами цилиндрического корпуса крышки с установленными на них входным и выходным патрубками для первого теплоносителя, уплотняющие прокладки, входной и выходной патрубки для второго теплоносителя, имеет теплообменную матрицу в форме цилиндрического кольца, выполненную из замкнутого листа, изогнутого с образованием петлей, плоские части стенок которых расположены в радиальных плоскостях цилиндрического корпуса, внутри теплообменной матрицы размещен вытеснитель, состоящий из цилиндрической обечайки и соединенных с ней кромками диаметральных и конусных перегородок, вдоль общей оси цилиндрического корпуса и теплообменной матрицы проходит стягивающий стержень, который своими концами разъемно закреплен в упорных кольцах, расположенных во входном и в выходном патрубках для первого теплоносителя и жестко соединенных с патрубками с помощью радиальных связей, на цилиндрическом корпусе установлены раздающий и собирающий коллектора, охватывающие цилиндрический корпус по его периметру, полости раздающего и собирающего коллекторов соединены с входами и выходами каналов для второго теплоносителя через окна в стенке цилиндрического корпуса, входной и выходной патрубки для второго теплоносителя соединены с раздающим и собирающим коллекторами соответственно, в каналах для первого теплоносителя имеются проставки, соединенные с обечайкой вытеснителя, уплотняющие прокладки размещены между торцами теплообменной матрицы и крышками, на внутренней поверхности цилиндрического корпуса закреплены дистанционирующие кольца, по крайней мере один конец стягивающего стержня выполнен резьбовым и снабжен пружиной, одетой на стержень и расположенной между внешней торцовой кромкой упорного кольца и прижимной гайкой, на плоских частях поверхностей петлей теплообменной матрицы имеются гофры.

В отличие от известного устройства [4], исполнение теплообменной матрицы в форме цилиндрического кольца из замкнутого листа, изогнутого с образованием петлей, плоские части стенок которых расположены в радиальных плоскостях цилиндрического корпуса, упрощает конструкцию и повышает ее технологичность. Поверхность теплопередачи может изготавливаться из одного листа, который замыкается путем, например, сварного соединения двух его противоположных кромок. Размещение внутри теплообменной матрицы вытеснителя, состоящего из цилиндрической обечайки и соединенных с ней кромками диаметральных и конусных перегородок, обеспечивает распределение потока первого теплоносителя по параллельным каналам в теплообменной матрице. Наличие в каналах для первого теплоносителя проставок, закрепленных на обечайке вытеснителя, увеличивает жесткость теплообменной матрицы и способствует сохранению ее формы и размеров в процессе эксплуатации устройства. Распределение потока второго теплоносителя по смежным параллельным каналам теплообменной матрицы обеспечивается размещением вокруг цилиндрического корпуса раздающего и собирающего коллекторов с установленными на них соответственно входным и выходным патрубками для второго теплоносителя и наличием окон в цилиндрическом корпусе, которые соединяют полости раздающего и собирающего коллекторов с входами и выходами каналов для второго теплоносителя. Размещение между торцами теплообменной матрицы и крышками уплотняющих прокладок обеспечивает разобщение каналов для первого и для второго теплоносителей и их герметизацию. Наличие дистанционирующих колец, закрепленных на внутренней поверхности цилиндрического корпуса, создает кольцевой зазор между стенкой цилиндрического корпуса и теплообменной матрицей, что способствует более полному и плотному контакту уплотняющих прокладок с кромками петлей теплообменной матрицы. Повышает качество уплотнения прокладками и наличие проходящего вдоль общей оси цилиндрического корпуса и теплообменной матрицы стягивающего стержня, который своими концами разъемно закреплен в упорных кольцах, расположенных во входном и в выходном патрубках для первого теплоносителя и жестко соединенных с патрубками с помощью радиальных связей. Затягивание прижимной гайки и сжатие пружины на резьбовом конце стягивающего стержня вместе с затяжкой фланцевых разъемов цилиндрического корпуса и крышек, обеспечивает плотное прижатие уплотняющей прокладки к теплообменной матрице по всей площади их контакта. Наличие пружины, одетой на стержень и расположенной между внешней торцовой кромкой упорного кольца и прижимной гайкой, позволяет так же компенсировать температурные расширения элементов устройства в процессе его работы за счет сжатия и разжатия пружины. Наличие гофр на плоских частях поверхностей петлей теплообменной матрицы интенсифицирует теплообмен потоков теплоносителей в каналах и, как следствие, позволяет увеличить компактность и уменьшить материалоемкость теплообменника.

Таким образом, совокупность отличительных признаков изобретения позволяет решить поставленную проблему.

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

Известные аналогичный устройства [1, 2, 3] конструктивно более сложны и менее технологичны в изготовлении.

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

На фиг.1 показано схематичное изображение предлагаемого петлевого теплообменника; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1.

Петлевой теплообменник содержит цилиндрический корпус 1 с расположенной внутри него теплообменной матрицей 2 в форме цилиндрического кольца, выполненной из замкнутого листа, изогнутого с образованием петлей 3 и проточных чередующихся каналов 4 для первого и 5 для второго теплоносителей. Входной 6 и выходной 7 патрубки для первого теплоносителя установлены соответственно на крышках 8 и 9, соединенных фланцевыми разъемами с торцами цилиндрического корпуса 7. Между крышками 8 и 9 и торцами теплообменной матрицы 2 находятся уплотняющие прокладки 10. Внутри теплообменной матрицы 2 установлен вытеснитель 11, состоящий из цилиндрической обечайки 12 и соединенных с ней кромками диаметральных 13 и конусных 14 перегородок. Осесимметрично с вытеснителем 11, теплообменной матрицей 2 и цилиндрическим корпусом 1 расположен стягивающий стержень 15, концами помещенный в упорные кольца 16, закрепленные с помощью связей 17 в патрубках 6 и 7 для первого теплоносителя. На резьбовой конец (или оба конца) стягивающего стержня 75 одета пружина 18 и он снабжен прижимной гайкой 19. В каналах 4 для первого теплоносителя имеются проставки 20, закрепленные на обечайке 12 вытеснителя 11. На внутренней поверхности цилиндрического корпуса 1 закреплены дистанционирующие кольца 21. Снаружи цилиндрический корпус 1 охватывают по его периметру раздающий 22 и собирающий 23 коллектора, полости которых соединены через окна 24 в стенке цилиндрического корпуса 1 соответственно с входами и выходами каналов 5 для второго теплоносителя в теплообменной матрице 2. На раздающем 22 и собирающем 23 коллекторах установлены соответственно входной 25 и выходной 26 патрубки для второго теплоносителя. На плоских частях поверхностей петлей 3 теплообменной матрицы 2 имеются гофры 27.

Петлевой теплообменник работает следующим образом.

Первый теплоноситель поступает в теплообменник через входной патрубок 6 и распределяется по параллельным каналам 4 теплообменной матрицы 2 через их боковые проемы на участке между крышкой 8 и вытеснителем 11. Ширина боковых проемов каналов 4 определяется размером расположенных в них проставок 20, закрепленных на цилиндрической обечайке 12 вытеснителя 11. Вытеснитель 11, состоящий из цилиндрической обечайки 12 и соединенных с ней кромками диаметральных 13 и конусных 14 перегородок, непроницаем для потока теплоносителя и образует части стенок каналов 4. Перемещаясь по каналам 4, первый теплоноситель обменивается теплотой со стенками петель 3, участвуя при этом в процессе теплопередачи через стенки с вторым теплоносителем. На противоположном конце теплообменной матрицы 2 первый теплоноситель выходит из параллельных каналов 4 через их боковые проемы на участке между крышкой 9 и вытеснителем 11 и общим потоком через выходной патрубок 7 выводится из теплообменника.

При работе теплообменника по схеме противотока второй теплоноситель поступает через входной патрубок 25 в раздающий коллектор 22 и через окна 24 в цилиндрическом корпусе 1 распределяется по каналам 5 теплообменной матрицы 2. Перемещаясь вдоль каналов 5, второй теплоноситель обменивается теплотой со стенками петлей 3 и при этом участвует в процессе теплопередачи через стенки с первым теплоносителем. Пройдя по каналам 5, второй теплоноситель через соответствующие окна 24 в цилиндрическом корпусе 1 поступает в собирающий коллектор 23 и одним общим потоком выводится из теплообменника через выходной патрубок 26.

Уплотняющие прокладки 10 из эластичного материала между плоскостями крышек 8 и 9 и торцами теплообменной матрицы 2 обеспечивают герметичность каналов 4 и 5 и исключают перетоки теплоносителей между каналами. Повышению качества уплотнения и его надежности при работе теплообменника способствует наличие стягивающего стержня 15, концы которого помещены в упорные кольца 16, закрепленные с помощью связей 17 в патрубках 6 и 7. За, счет сжатия одетой на стягивающей стержень 15 пружины 18 прижимной гайкой 19 достигается требуемое по условиям герметичности прижатие уплотняющей прокладки 10 к торцам теплообменной матрицы 2 на всей площади их контакта. Пружина 18 служит также компенсирующим элементом термических расширений отдельных частей теплообменника, имеющих разную температуру.

Гофры 27 на плоских частях поверхностей петлей 3, являясь средством интенсификации теплообмена теплоносителей в каналах 4 и 5, кроме того повышают жесткость стенок теплопередающей поверхности, что расширяет допустимый интервал разности давлений первого и второго теплоносителей в каналах 4 и 5.

Теплообменник легко разбирается и собирается. Возможна механическая очистка от загрязнений поверхностей теплообмена в каналах 4 и 5, а также замена теплообменной матрицы 2. Если используются жидкие теплоносители, то предпочтительным может оказаться вертикальное расположение в пространстве петлевого теплообменника, что дает возможность естественного слива теплоносителей из каналов 4 и 5 теплообменной матрицы 2 при длительных перерывах в работе.

Предлагаемый петлевой теплообменник имеет следующие преимущества перед аналогами:

- теплопередающая поверхность выполнена из одного замкнутого листа с минимальным количеством сварных соединений;

- конструкция проста и технологична в изготовлении;

- возможна полная разборка и последующая сборка без утраты рабочих качеств;

- возможна механическая очистка от загрязнений поверхностей теплообмена в каналах теплообменной матрицы;

- возможность свободного температурного расширения и сжатия элементов теплообменника за счет пружинной компенсации;

- высокая компактность и низкая материалоемкость.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Машины и аппараты химических производств / А.С. Тимонин, Б.Г. Болдин, В.Я. Борщев, Ю.И. Гусев и др. // Под общ. ред. А.С. Тимонина. - Калуга: Изд-во Н.Ф. Бочкаревой, 2008. с. 486, рис. 6.1.3.1.

2. Патент RU №2094726 С1. МПК F28D 9/00, F28F 3/02. Опубл. 27.10.1997.

3. Патент RU №2687669 С1. МПК F28D 1/047. Опубл. 15.05.2019. Бюл. №14.

4. Барановский Н.В., Коваленко Л.М., Ястребенецкий А.Р. Пластинчатые и спиральные теплообменники. М.: Машиностроение, 1973. с. 33, рис. 20б.

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в рекуперативных теплообменных устройствах. Изобретение заключается в том, что теплообменник имеет теплообменную матрицу в форме цилиндрического кольца, выполненную из замкнутого листа, изогнутого с образованием петлей, плоские части стенок которых расположены в радиальных плоскостях цилиндрического корпуса, внутри теплообменной матрицы размещен вытеснитель, состоящий из цилиндрической обечайки и соединенных с ней кромками диаметральных и конусных перегородок, вдоль общей оси цилиндрического корпуса и теплообменной матрицы проходит стягивающий стержень, который своими концами разъемно закреплен в упорных кольцах, расположенных во входном и в выходном патрубках для первого теплоносителя и жестко соединенных с патрубками с помощью радиальных связей, на цилиндрическом корпусе установлены раздающий и собирающий коллекторы, охватывающие цилиндрический корпус по его периметру, полости раздающего и собирающего коллекторов соединены с входами и выходами каналов для второго теплоносителя через окна в стенке цилиндрического корпуса, входной и выходной патрубки для второго теплоносителя соединены с раздающим и собирающим коллекторами соответственно, в каналах для первого теплоносителя имеются проставки, соединенные с обечайкой вытеснителя, уплотняющие прокладки размещены между торцами теплообменной матрицы и крышками, на внутренней поверхности цилиндрического корпуса закреплены дистанционирующие кольца, по крайней мере один конец стягивающего стержня выполнен резьбовым и снабжен пружиной, одетой на стержень и расположенной между внешней торцовой кромкой упорного кольца и прижимной гайкой, на плоских частях поверхностей петлей теплообменной матрицы имеются гофры. Технический результат - упрощение конструкции устройства и возможность изготавливать поверхность теплопередачи из одного листа. 2 з.п. ф-лы. 2 ил.

1. Петлевой теплообменник, содержащий цилиндрический корпус, листовую поверхность теплопередачи, размещенную внутри цилиндрического корпуса и образующую теплообменную матрицу с чередующимися каналами для первого и второго теплоносителей, соединенные разъемно с торцами цилиндрического корпуса крышки с установленными на них входным и выходным патрубками для первого теплоносителя, уплотняющие прокладки, входной и выходной патрубки для второго теплоносителя, отличающийся тем, что теплообменная матрица имеет форму цилиндрического кольца и выполнена из замкнутого листа, изогнутого с образованием петлей, плоские части стенок которых расположены в радиальных плоскостях цилиндрического корпуса, внутри теплообменной матрицы размещен вытеснитель, состоящий из цилиндрической обечайки и соединенных с ней кромками диаметральных и конусных перегородок, вдоль общей оси цилиндрического корпуса и теплообменной матрицы проходит стягивающий стержень, который своими концами разъемно закреплен в упорных кольцах, расположенных во входном и в выходном патрубках для первого теплоносителя и жестко соединенных с патрубками с помощью радиальных связей, на цилиндрическом корпусе установлены раздающий и собирающий коллекторы, охватывающие цилиндрический корпус по его периметру, полости раздающего и собирающего коллекторов соединены с входами и выходами каналов для второго теплоносителя через окна в стенке цилиндрического корпуса, входной и выходной патрубки для второго теплоносителя соединены с раздающим и собирающим коллекторами соответственно, в каналах для первого теплоносителя имеются проставки, соединенные с обечайкой вытеснителя, уплотняющие прокладки размещены между торцами теплообменной матрицы и крышками, на внутренней поверхности цилиндрического корпуса закреплены дистанционирующие кольца.

2. Петлевой теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что по крайней мере один конец стягивающего стержня выполнен резьбовым и снабжен пружиной, одетой на стержень и расположенной между внешней торцовой кромкой упорного кольца и прижимной гайкой.

3. Петлевой теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что на плоских частях поверхностей петлей теплообменной матрицы имеются гофры.