ЛЕПЕСТКОВЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК Российский патент 2023 года по МПК F28D9/00 F28D9/02 F28F1/00 F28F1/06 

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.

Наряду с широко распространенными трубчатыми теплообменными аппаратами рекуперативного типа используются аппараты с листовой поверхностью теплопередачи, которые обладают рядом преимуществ. В частности, известный пластинчатый теплообменник [1] с теплопередающей поверхностью из тонких теплопроводящих листов, образующих щелевые каналы для прохода теплоносителей, отличается от трубчатых большей компактностью и малой удельной материалоемкостью. К недостаткам устройства [1] и других аналогичных устройств относится сложность изготовления, высокое гидравлическое сопротивление движению теплоносителей, обусловленное большим числом поворотов по пути многоходового движения потоков.

В известном пластинчатом теплообменнике [2] за счет одноходового движения теплоносителей гидравлическое сопротивление понижено. 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. Его недостатком является сложность изготовления. Трудно обеспечить герметичность каналов и исключить возможность перетоков между теплоносителями.

Известен ламельный 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. Достоинствами данного теплообменника являются высокая компактность, возможность работы с теплоносителями при любом их фазовом состоянии. К недостаткам относится большое количество сварных швов, сложность и трудоемкость изготовления.

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

Поставленная проблема решается тем, что предлагаемый лепестковый 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, имеет теплообменную матрицу выполненную в форме цилиндрического кольца из замкнутого листа, изогнутого с образованием петель, плоские части стенок которых ориентированы по радиальным направлениям цилиндрического корпуса, в центральной части теплообменной матрицы размещен обтекатель, включающий в себя цилиндрическую обечайку и соединенные с ней кромками диаметральные и конусные перегородки, с обтекателем одним своим концом соединен стержень, имеющий общую ось с цилиндрическим корпусом и теплообменной матрицей, другой конец стержня закреплен во втулке, которая с помощью радиальных спиц соединена со стенкой патрубка для первого теплоносителя, на внешней поверхности обечайки обтекателя установлено не менее двух рядов дистанционирующих шипов, вершины которых входят в каналы для первого теплоносителя, на внутренней поверхности цилиндрического корпуса закреплены дистанционирующие кольца, уплотняющие прокладки размещены между торцами теплообменной матрицы и крышками, входной и выходной патрубки для второго теплоносителя установлены на раздающем и собирающем коллекторах соответственно, которые соединены с цилиндрическим корпусом и охватывают его по периметру, на плоских частях поверхностей петель теплообменной матрицы имеются гофры.

В отличие от известного устройства [4], исполнение теплообменной матрицы в форме цилиндрического кольца из замкнутого листа, изогнутого с образованием петель, плоские части стенок которых ориентированы по радиальным направлениям цилиндрического корпуса, размещение в центральной части теплообменной матрицы обтекателя, включающего в себя цилиндрическую обечайку и соединенные с ней кромками диаметральные и конусные перегородки, наличие стержня, имеющего общую ось с цилиндрическим корпусом и теплообменной матрицей и соединенного одним своим концом с обтекателем, а другим концом закрепленного во втулке, которая с помощью радиальных спиц соединена со стенкой патрубка для первого теплоносителя, дает возможность упростить конструкцию, изготавливать теплообменную матрицу из одного листа, уменьшить количество и длину герметичных сварных швов и повысить надежность всего устройства. Дистанционирующие шипы на внешней поверхности обечайки обтекателя с вершинами расположенными в каналах для первого теплоносителя, дистанционирующие кольца на внутренней поверхности цилиндрического корпуса, уплотняющие прокладки между торцами теплообменной матрицы и крышками фиксируют положение теплообменной матрицы в цилиндрическом корпусе, ширину каналов для прохода теплоносителей в теплообменной матрице и способствуют обеспечению герметичности каналов в процессе эксплуатации устройства. Раздающий и собирающий коллекторы, соединенные с цилиндрическим корпусом и охватывающие его по периметру, кроме основной своей функции раздачи по каналам и последующем сборе второго теплоносителя, дополнительно служат компенсаторами температурных расширений в системе «цилиндрический корпус-теплообменная матрица», что позволяет использовать устройство в условиях значительных разностей температур между теплоносителями без установки на цилиндрический корпус специальных компенсаторов. При этом предпочтительным является вариант, когда первый теплоноситель является греющим. В этом случае при работе теплообменника температура теплопередающей поверхности теплообменной матрицы будет выше температуры цилиндрического корпуса и при различиях их температурных расширений данное обстоятельство будет способствовать повышению надежности уплотнения канальных пространств теплообменной матрицы. Гофры на плоских частях поверхностей петель теплообменной матрицы служат интенсификаторами теплообмена потоков теплоносителей в каналах и способствуют увеличению компактности и уменьшению материалоемкости 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 лепесткового теплообменника; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1.

Лепестковый теплообменник содержит цилиндрический корпус 7, внутри которого расположена имеющая форму кольца теплообменная матрица 2, выполненная из замкнутого листа, изогнутого с образованием петель 3. Совокупность петель 3 в теплообменной матрице 2 образует проточные чередующиеся каналы 4 и 5 для первого и второго теплоносителей соответственно. Входной 6 и выходной 7 патрубки для первого теплоносителя установлены на крышках 8 и 9, соединенных разъемно с торцами цилиндрического корпуса 7. Между крышками 8 и 9 и торцами теплообменной матрицы 2 расположены уплотняющие прокладки 10. В центральной части теплообменной матрицы 2 установлен обтекатель 77, состоящий из цилиндрической обечайки 12 и соединенных с ней кромками диаметральных 13 и конусных 14 перегородок. С обтекателем 11 одним своим концом соединен стержень 75, противоположный конец которого закреплен во втулке 16, установленной с помощью радиальных спиц 77 в патрубке 6 для первого теплоносителя. На внешней поверхности цилиндрической обечайки 12 закреплены дистанционирующие шипы 18, которые своими вершинами входят в каналы 4 для первого теплоносителя. На внутренней поверхности цилиндрического корпуса 1 закреплены дистанционирующие кольца 19. Входной 20 и выходной 21 патрубки для второго теплоносителя установлены соответственно на раздающем 22 и собирающем 23 коллекторах, которые соединены с цилиндрическим корпусом 1 и охватывают его по периметру. На плоских частях поверхностей петель 3 имеются гофры 24.

Лепестковый теплообменник работает следующим образом.

Первый теплоноситель поступает через входной патрубок 6 в центральную часть теплообменной матрицы 2, где встречая преграду в виде обтекателя 11, состоящего из цилиндрической обечайки 12 и соединенных с ней кромками диаметральных 13 и конусных 14 перегородок, растекается по радиальным направлениям, проходит через щели, содержащие вершины дистанционирующих шипов 18, между петлями 3 и заполняет каналы 4. Пройдя по каналам 4 и участвуя при этом в процессе теплопередачи через стенки петель 3 с вторым теплоносителем, первый теплоноситель за обтекателем 11 на противоположном конце теплообменной матрицы 2 через боковые щели каналов 4 поступает в центральную часть теплообменной матрицы 2, откуда через выходной патрубок 7 выводится из теплообменника.

При работе по схеме противотока второй теплоноситель поступает через входной патрубок 20 в раздающий коллектор 22, охватывающий по периметру цилиндрический корпус 1. Из раздающего коллектора 22 второй теплоноситель перетекает в каналы 5 теплообменной матрицы 2. Перемещаясь вдоль каналов 5, второй теплоноситель участвует в процессе теплопередачи через стенки петель 3 с первым теплоносителем. Из каналов 5 второй теплоноситель поступает в собирающий коллектор 23, далее в выходной патрубок 21, через который выводится из теплообменника.

Гофры 24 на плоских частях поверхностей петель 3, интенсифицируя теплообмен теплоносителей, способствуют увеличению жесткости стенок теплопередающей поверхности, что дает возможность работы теплообменника при повышенных разностях давлений первого и второго теплоносителей в каналах 4 и 5.

Герметичность каналов 4 и 5 и исключение перетоков теплоносителей между каналами обеспечивают уплотняющие прокладки 10 между плоскостями крышек 8 и 9 и торцами теплообменной матрицы 2.

При необходимости очистки от загрязнений поверхностей теплообмена в каналах 4 и 5 теплообменной матрицы 2 теплообменник легко разбирается. Возможна замена теплообменной матрицы. При этом обтекатель 11 извлекается из центральной части теплообменной матрицы 2 после разсоединения стержня 15 с втулкой 16, закрепленной с помощью радиальных спиц 17 в патрубке 6 для первого теплоносителя.

При работе с жидкими теплоносителями предпочтительным является вертикальное расположение в пространстве лепесткового теплообменника. В этом случае обеспечивается естественный слив теплоносителей из каналов 4 и 5 теплообменной матрицы 2, необходимый при длительных перерывах в работе.

Предлагаемый лепестковый теплообменник имеет следующие преимущества перед аналогами:

- теплопередающая поверхность выполнена из одного замкнутого листа;

- конструкция проста и технологична в изготовлении;

- возможность полной разборки;

- легкая очистка от загрязнений поверхностей теплообмена;

- самокомпенсация температурных напряжений в элементах теплообменника;

- 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. 20, б.

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в рекуперативных теплообменных устройствах. Изобретение заключается в том, что теплообменник имеет теплообменную матрицу, выполненную в форме цилиндрического кольца из замкнутого листа, изогнутого с образованием петель, плоские части стенок которых ориентированы по радиальным направлениям цилиндрического корпуса, в центральной части теплообменной матрицы размещен обтекатель, включающий в себя цилиндрическую обечайку и соединенные с ней кромками диаметральные и конусные перегородки, с обтекателем одним своим концом соединен стержень, имеющий общую ось с цилиндрическим корпусом и теплообменной матрицей, другой конец стержня закреплен во втулке, которая с помощью радиальных спиц соединена со стенкой патрубка для первого теплоносителя, на внешней поверхности обечайки обтекателя установлено не менее двух рядов дистанционирующих шипов, вершины которых входят в каналы для первого теплоносителя, на внутренней поверхности цилиндрического корпуса закреплены дистанционирующие кольца, уплотняющие прокладки размещены между торцами теплообменной матрицы и крышками, входной и выходной патрубки для второго теплоносителя установлены на раздающем и собирающем коллекторах соответственно, которые соединены с цилиндрическим корпусом и охватывают его по периметру, на плоских частях поверхностей петель теплообменной матрицы имеются гофры. Технический результат - упрощение конструкции устройства и возможность изготавливать теплообменную матрицу из одного листа. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Лепестковый 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, отличающийся тем, что теплообменная матрица имеет форму цилиндрического кольца, выполнена из замкнутого листа, изогнутого с образованием петель, плоские части стенок которых ориентированы по радиальным направлениям цилиндрического корпуса, в центральной части теплообменной матрицы размещен обтекатель, включающий в себя цилиндрическую обечайку и соединенные с ней кромками диаметральные и конусные перегородки, с обтекателем одним своим концом соединен стержень, имеющий общую ось с цилиндрическим корпусом и теплообменной матрицей, другой конец стержня закреплен во втулке, которая с помощью радиальных спиц соединена со стенкой патрубка для первого теплоносителя, на внешней поверхности обечайки обтекателя установлено не менее двух рядов дистанционирующих шипов, вершины которых входят в каналы для первого теплоносителя, на внутренней поверхности цилиндрического корпуса закреплены дистанционирующие кольца, уплотняющие прокладки размещены между торцами теплообменной матрицы и крышками, входной и выходной патрубки для второго теплоносителя установлены на раздающем и собирающем коллекторах соответственно, которые соединены с цилиндрическим корпусом и охватывают его по периметру.

2. Лепестковый теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что на плоских частях поверхностей петель теплообменной матрицы имеются гофры.