ТЕПЛООБМЕННИК С ТРУБЧАТЫМИ МЕМБРАНАМИ Российский патент 2023 года по МПК F28F9/02 F28F9/13 F28F9/06 F28F9/08 F28F11/02 F28F21/06 B01D63/06 B01D61/00 

Ссылка на родственную заявку

[0001] Согласно настоящему изобретению испрашивается приоритет в соответствии с предварительной заявкой на выдачу патента США №62/857113, поданной 4 июня 2019 г., которая включена в настоящий документ во всей полноте.

Область техники, к которой относится настоящее изобретение

[0002] Настоящее изобретение относится к теплообменникам и, более конкретно, к теплообменникам с трубчатыми мембранами, которые облегчают теплообмен между двумя текучими средами.

Предшествующий уровень техники настоящего изобретения

[0003] Теплообменники (НХ) бывают самых разных конфигураций и используются в самых разных областях применения. В одном из подходов, который относится к теплообменнику с трубчатыми мембранами, трубы вставляются в трубные решетки и герметично соединяются с трубной решеткой с помощью ряда методов, включая сварку, прокатку, пайку и склеивание (для теплообменник с пластиковыми трубчатыми мембранами). Другой подход предполагает герметизацию всех труб сразу с помощью трубной решетки, а не приклеивание труб по одной. Еще один подход заключается в том, что трубы собираются в пучок и механически сжимаются для герметизации узла.

[0004] Герметизация мембранных труб может быть сложной задачей из-за небольшого размера и большого количества труб. Кроме того, герметизация мембранной трубы в трубную решетку может быть затруднена из-за неудовлетворительной адгезии герметика к трубе. Кроме того, при использовании несогласованных и/или гибких трубок неравномерные зазоры между трубами и трубными решетками могут привести к утечкам.

[0005] Кроме того, расход потока воды для теплообменника с трубчатыми мембранами может быть ограничен из-за проблем с герметиком, что приводит к снижению свойств тепломассообмена для теплообменника с трубчатыми мембранами. Прочность соединения между трубами мембраны и трубной решеткой, а не прочность труб и трубных решеток, может быть ограничивающим фактором рабочего давления тепло- и массообменников для этих типов применений, что, в свою очередь, ограничивает универсальность и применимость теплообменника с трубчатыми мембранами.

Краткое описание фигур

[0006] На фиг. 1 показан схематический вид теплообменной системы, содержащей теплообменные узлы с трубчатыми мембранами;

[0007] на фиг. 2 показан вид в перспективе одного из теплообменных узлов с трубчатыми мембранами, показанного на фиг. 1;

[0008] на фиг. 3 показан вид в сечении части теплообменного узла с трубчатыми мембранами, показанного на фиг. 2, на котором показаны трубчатые мембраны, корпуса коллекторов, фитинги, соединяющие трубчатые мембраны с коллекторами, и разделительная пластина, разделяющая трубчатые мембраны;

[0009] на фиг. 4 показан вид в перспективе в разобранном состоянии концевой части одной из трубчатых мембран, показанных на фиг. 3, на котором показаны трубчатая мембрана, фитинг, резиновая лента, соединяющая трубчатую мембрану с корпусом коллектора;

[0010] на фиг. 5 показан вид в сечении узла трубчатой мембраны, содержащего одну из трубчатых мембран, показанных на фиг. 3, на котором показано, что герметик покрывает концевую часть трубчатой мембраны, резиновую ленту и внешняя поверхность корпуса коллектора;

[0011] на фиг. 6 показан вид в сечении другого теплообменного узла с трубчатыми мембранами без разделительной пластины для разделения трубчатых мембран;

[0012] на фиг. 7 показан вид в перспективе коллектора, показывающий пластинчатую часть коллектора, отверстия в пластинчатой части для приема трубчатых мембран и бортик, проходящий вокруг пластинчатой части для удержания жидкого герметика, когда жидкий герметик наливается на коллектор;

[0013] на фиг. 8 показан вид, аналогичный фиг. 7, на котором показана трубчатая мембрана, продвинутая в одно из отверстий пластинчатой части коллектора;

[0014] на фиг. 9 показан перспективный вид коллектора, на котором показаны трубчатые мембраны, вставленные в отверстия пластинчатой части коллектора до того, как на коллектор был нанесен герметик;

[0015] на фиг. 10 показан перспективный вид в разобранном состоянии трубчатой мембраны, фитинга и пластинчатой части коллектора;

[0016] на фиг. 11 показан вид в сечении трубчатой мембраны, фитинга и пластинчатой части коллектора, изображенных на фиг. 10, в собранном виде и с нанесенным на противоположные стороны части пластины коллектора герметикой; и

[0017] на фиг. 12 показан вид в сечении коллектора, содержащего неразъемный фитинг и корпус коллектора.

Подробное раскрытие настоящего изобретения

[0018] В одном аспекте предлагается узел трубчатой мембраны для теплообменника. Узел трубчатой мембраны содержит коллектор, содержащий корпус коллектора, трубчатую мембрану и фитинг, соединяющий трубчатую мембрану с корпусом коллектора. Фитинг выполнен с возможностью образования герметичного соединения между фитингом и трубчатой мембраной. Узел трубчатой мембраны дополнительно содержит герметик коллектора, удерживающий трубчатую мембрану соединенной с фитингом. Узел трубчатой мембраны обеспечивает надежное соединение между корпусом коллектора и трубчатой мембраной, которая может быть гибкой и относительно небольшой в поперечном сечении, и облегчает использование давлений текучей среды свыше 5 фунтов на квадратный дюйм (фунтов/квадратный дюйм), например, в диапазоне от приблизительно 10 фунтов/квадратный дюйм до приблизительно 20 фунтов/квадратный дюйм, или более 20 фунтов/квадратный дюйм, например, приблизительно 50 фунтов/квадратный дюйм или более. Прочность, обеспечиваемая узлом трубчатой мембраны, позволяет получить теплообменник с переменным расстоянием между трубчатыми мембранами теплообменника. Переменное расстояние между трубчатыми мембранами позволяет оптимизировать конфигурацию теплообменника для конкретного применения.

[0019] В другом аспекте настоящего изобретения предлагается теплообменник, содержащий по меньшей мере один теплообменник с трубчатыми мембранами и вентиляторный узел, выполненный с возможностью генерирования воздушного потока относительно по меньшей мере одного теплообменника с трубчатыми мембранами. Теплообменник также содержит насос, выполненный с возможностью перекачивания текучей среды. По меньшей мере один теплообменник с трубчатыми мембранами выполнен с возможностью получения текучей среды и содержит впускной коллектор, выпускной коллектор, множество трубчатых мембран и фитинги, соединяющие трубчатые мембраны с впускным и выпускным коллекторами. Согласно одному варианту осуществления каждая из трубчатых мембран содержит боковую стенку, проходящую вокруг полости трубчатой мембраны. Трубчатые мембраны обеспечивают высокое отношение эффективной площади поверхности тепломассообмена к единице объема тепломассообменника для обеспечения эффективного теплообмена между текучей средой в полостях трубчатых мембран и текучей средой вне трубчатых мембран.

[0020] Согласно одному варианту осуществления боковые стенки трубчатых мембран изготовлены из материала, который является газопроницаемым и непроницаемым для жидкости. Например, текучая среда может включать смесь воды и водяного пара, и боковые стенки трубчатых мембран позволяют водяному пару выходить из трубчатых мембран. Удаление водяного пара с более высокой энергией снижает температуру потока текучей среды в трубчатых мембранах. Кроме того, воздушный поток, создаваемый вентиляторным узлом, удаляет водяной пар с внешних поверхностей трубчатых мембран.

[0021] Согласно одному варианту осуществления по меньшей мере один теплообменник с трубчатыми мембранами может быть выполнен с возможностью удаления из теплообменника для облегчения сборки теплообменника, а также обеспечения возможности ремонта или замены теплообменного узла с трубчатыми мембранами.

[0022] На фиг. 1 представлена теплообменная система 10, содержащая теплообменник 11, который получает тепло, например, тепло изнутри здания, и передает тепло текучей среде, такой как вода или смесь воды и гликоля. Текучая среда может содержать жидкость и газ, пропорции которых могут меняться по мере прохождения рабочей текучей среды по теплообменной системе 10. Теплообменная система 10 содержит насос 12, выполненный с возможностью перекачки текучей среды из теплообменника 11 в теплообменник 40. Теплообменник 40 содержит одну или несколько теплообменных кассет, таких как, теплообменники 50 с трубчатыми мембранами. Теплообменники 50 с трубчатыми мембранами разъемно или постоянно соединены с впускным трубопроводом 52 и выпускным трубопроводом 54. В другом подходе теплообменник 40 может принимать тепло и передавать его текучей среде, в то время как теплообменник 11 отводит тепло от текучей среды.

[0023] Как показано на фиг. 2, каждый теплообменник 50 с трубчатыми мембранами содержит впускной коллектор 70, который получает текучую среду из впускного трубопровода 52, одну или несколько трубчатых мембран 74, через которые проходит текучая среда, и выпускной коллектор 72, который собирает текучую среду из трубчатых мембран 74. Трубчатые мембраны 74 способствуют тепло- и/или массообмену между первой текучей средой внутри трубчатых мембран 74 и второй текучей средой снаружи трубчатых мембран 74. В качестве одного примера трубчатые мембраны 74 могут быть изготовлены из газопроницаемого материала, который также является непроницаемым для жидкости. Трубчатые мембраны 74 получают текучую среду, содержащую смесь жидкости и газа, которая была нагрета теплообменником 11. Трубчатые мембраны 74 позволяют газу, например, пару, который был нагрет теплообменником 11, выходить из трубчатых мембран 74. В качестве примера текучая среда, поступающая в трубчатые мембраны 74, может представлять собой смесь воды и водяного пара. В другом случае текучая среда может представлять собой полностью газ при достижении трубчатых мембран 74 и может выходить из выпускного коллектора 72 в виде жидкости или смеси газа и жидкости.

[0024] Трубчатые мембраны 74 могут быть изготовлены, например, из одного или нескольких полимеров, таких как полипропилен (РР), полидиметилсилоксан (PDMS) или политетрафторэтилен (PTFE). Трубчатые мембраны 74 могут быть пористыми и содержать отверстия нанометрового диаметра для облегчения тепло- и/или массопереноса. Трубчатые мембраны 74 могут быть гибкими и относительно хрупкими, что затрудняет захват трубчатых мембран 74 для крепления к другому компоненту. Например, трубчатые мембраны 74 могут быть достаточно жесткими для размещения вертикально на поверхности и сохранения своей формы, но любое внешнее давление заставляет трубчатые мембраны 74 изгибаться и/или скручиваться.

[0025] Как показано на фиг. 1, теплообменная система 10 содержит вентиляторный узел 14, характеризующийся наличием одного или нескольких вентиляторов 16 и одного или нескольких двигателей 18. Вентиляторный узел 14 выполнен с возможностью создания воздушного потока относительно трубчатых мембран 74, например, в направлении 75 вдоль длины трубчатых мембран 74 и/или в направлениях, поперечных к длине трубчатых мембран 74. Воздушный поток может способствовать удалению газа с внешних поверхностей 91 (см. фиг. 3) трубчатых мембран 74. Текучая среда может представлять собой воду, как упоминалось выше, и чистый водяной пар может проникать через трубчатые мембраны 74, в то время как загрязняющие вещества, такие как мусор, накипь и организмы, остаются внутри трубчатых мембран 74. Кроме того, трубчатые мембраны 74 препятствуют проникновению внешних загрязнений в трубчатые мембраны 74.

[0026] Как показано на фиг. 1 и 2, выпускной коллектор 72 каждого узла 50 трубчатой мембраны направляет текучую среду к выпускному трубопроводу 54. Теплообменная система 10 содержит насос 30, выполненный с возможностью перекачки текучей среды из выпускного трубопровода 54 в теплообменник 11 и по всей теплообменной системе 10. Насос 30 может создавать избыточное давление текучей среды на впускном коллекторе 70 в диапазоне от приблизительно нуля фунтов на квадратный дюйм (фунтов/квадратный дюйм) до приблизительно 50 фунтов/квадратный дюйм, например, 5 фунтов/квадратный дюйм или выше, 10 фунтов/квадратный дюйм или выше, или 15 фунтов/квадратный дюйм или выше, 20 фунтов/квадратный дюйм или выше, 30 фунтов/квадратный дюйм или выше или 40 фунтов/квадратный дюйм или выше. Теплообменная система 10 может дополнительно содержать устройство 60 подачи текучей среды, которое добавляет текучую среду, такую как жидкость, газ или смесь жидкости и газа, в систему 10 для компенсации газа, выходящего из трубчатых мембран 74.

[0027] Как показано на фиг. 3, каждая из трубчатых мембран 74 может содержать внутренний проход, например, полость 76, и боковую стенку 78, проходящую вокруг него. Полость 76 может характеризоваться внутренним диаметром в диапазоне от приблизительно 0,1 дюйма до приблизительно 0,5 дюйма, например, 0,25 дюйма или 0,125 дюйма. Боковая стенка 78 может характеризоваться толщиной в диапазоне от 1 микрона до приблизительно 200 микрон, например, от приблизительно 1 микрона до приблизительно 5 микрон, например, от приблизительно 5 микрон до приблизительно 10 микрон, например, от приблизительно 10 микрон до приблизительно 15 микрон, например, от приблизительно 15 микрон до приблизительно 50 микрон, например, приблизительно 30 микрон, например, от приблизительно 50 микрон до приблизительно 75 микрон, например, от приблизительно 150 микрон до приблизительно 200 микрон. В качестве дополнительных примеров трубчатые мембраны 74 могут иметь внутренний диаметр менее 5 миллиметров (мм), приблизительно 5 мм или более 5 мм.

[0028] Трубчатые мембраны 74 могут быть гибкими, и теплообменник 50 с трубчатыми мембранами может содержать опору для каждой из трубчатых мембран 74, которая противостоит боковому перемещению, изгибу и вздутию трубчатой мембраны 74. Опора может занимать большую часть, например, более 50%, 60%, 70%, 80%, 90% или практически всю длину трубчатой мембраны 74. Согласно одному варианту осуществления опора может содержать плетеный рукав, окружающий трубчатую мембрану 74 и проходящий по существу по всей длине трубчатой мембраны 74. Плетеный рукав может быть изготовлен из тканого пластика или металлического материала, который препятствует изгибу трубчатой мембраны 74. Иллюстративный плетеный рукав 174 рассматривается ниже в связи с фиг. 9. Согласно другим вариантам осуществления опоры могут содержать стержни или другие удлиненные направляющие. Согласно другим вариантам осуществления опоры могут содержать катушки вокруг трубчатых мембран 74.

[0029] Как показано на фиг. 3, впускной коллектор 70 характеризуется наличием корпуса 71 коллектора, содержащего пластинчатую часть 82 с отверстиями 80. Текучая среда в теплообменной системе 10 может проходить через отверстия 80 в пластинчатой части 82 впускного коллектора 70 в целом в направлении 84 и попадать в полость 76 трубчатой мембраны 74. Боковая стенка 78 трубчатой мембраны 74 позволяет газу текучей среды, например, водяному пару в текучей среде, содержащей водяной пар и воду, выходить наружу через боковую стенку 78 приблизительно в направлении 86 и входить в контакт с воздушным потоком, создаваемым вентиляторным узлом 14. Жидкость потока, например, вода, проходит через полость 76 трубчатой мембраны 74 и попадает в выпускной коллектор 72 через отверстия 90 в пластинчатой части 83 выпускного коллектора 72.

[0030] Как показано на фиг. 2, теплообменники 50 с трубчатыми мембранами характеризуются модульной конфигурацией, которая позволяет отдельно присоединять теплообменники 50 с трубчатыми мембранами к теплообменной системе 40 и отсоединять их от нее. Модульная конфигурация теплообменников 50 с трубчатыми мембранами также позволяет регулировать производительность смесительного теплообменника 40 путем добавления или удаления теплообменников 50 с трубчатыми мембранами и внесения соответствующих изменений в объем текучей среды в системе 10, производительность теплообменника 11 и/или расход насоса 30 по мере необходимости.

[0031] Теплообменник 50 с трубчатыми мембранами может содержать раму 92, поддерживающую впускной и выпускной коллекторы 70, 72, трубчатые мембраны 74 и разделительные элементы 96. Рама 92 содержит отверстие 94, которое пропускает воздушный поток вдоль и между трубчатыми мембранами 74 для облегчения рассеивания нагретого газа, который проникает через боковые стенки 76 трубчатых мембран 76. Как показано на фиг. 3, разделительные элементы 96 содержат отверстия 98, в которых размещаются трубчатые мембраны 74. Разделительные элементы 96 противостоят боковому смещению и изгибу трубчатых мембран 74 при получении трубчатыми мембранами 74 текучей среды под давлением. Разделительные элементы 96 могут также удерживать трубчатые мембраны 74 в целом в прямой, параллельной ориентации во время заливки трубчатых мембран герметикой, как описано ниже, что облегчает получение соединения без зазоров между герметизирующим материалом и трубчатыми мембранами 74. Количество и толщина разделительных элементов 96 могут быть выбраны таким образом, чтобы разделительные элементы 96 работали как опоры вместо рукавов 174.

[0032] Как показано на фиг. 4, трубчатая мембрана 74 содержит концевую часть 100, которая соединена с пластинчатой частью 82 впускного коллектора 70 посредством соединителя, например, фитинга 102. Трубчатая мембрана 74 соединена с пластинчатой частью 83 выпускного коллектора 72 посредством аналогичного фитинга 102. Фитинг 102 содержит ниппельную часть 104, основную часть 108 и сквозное отверстие, которое пропускает поток текучей среды через фитинг.

[0033] Чтобы собрать трубчатую мембрану 74 с пластинчатой частью 82 коллектора, ниппельная часть 104 продвигается в направлении 106 в полость 76 трубчатой мембраны 74. Собранные трубчатая мембрана 74 и фитинг 102 смещаются в направлении 106, чтобы посадить основную часть 108 фитинга 102 в отверстие 80 пластинчатой части 82. На концевой части 100 трубчатой мембраны 74 может быть закреплен фиксатор, например, резиновая лента 110, чтобы удержать концевую часть 100 на ниппельной части 104 фитинга 102. Например, резиновая лента 110 может быть смещена в направлении 112 вдоль трубчатой мембраны 74 до достижения концевой части 100. Резиновая лента 110 оказывает сжимающее усилие на трубчатую мембрану 74, которое плотно прижимает трубчатую мембрану 74 к ниппельной части 104 фитинга 102. Согласно другому варианту осуществления фиксатор может включать стяжку или подпружиненный механический зажим, в качестве некоторых примеров. В других примерах фиксатор может включать прокладку, расширяющийся пеноматериал, клей или их комбинацию.

[0034] Как показано на фиг. 5, трубчатая мембрана 74, фитинг 102 и резиновая лента 110 были прикреплены к пластинчатой части 82. Впускной коллектор 70 содержит герметик 120, который нанесен на поверхность 122 пластинчатой части 82 коллектора. Герметик 120 может включать эпоксидный герметик или силиконовый герметик, отверждаемый под действием ультрафиолетового излучения, в качестве некоторых примеров. Герметик 120 заключает концевую часть 100 трубчатой мембраны 74 и резиновую ленту 110 внутрь герметика 120 и образует механическую связь между компонентами. Согласно некоторым вариантам осуществления герметик 120 образует химическую связь с трубчатой мембраной 74 для дополнительного сопротивления перемещению трубчатой мембраны 74 относительно герметика 120.

[0035] Ниппельная часть 104 образует посадку с натягом с внутренней поверхностью 141 боковой стенки 78 трубчатой мембраны 74 для образования герметичного уплотнения. Фитинг 102 характеризуется наличием центральной оси 79 и может характеризоваться различной шириной в поперечном направлении относительно продольной оси 79 для облегчения уплотнения трубчатой мембраны 74 и механической фиксации фитинга 102 на пластинчатой части 82. В одном примере ниппельная часть 104 характеризуется внешней поверхностью 140 в форме усеченного конуса, размер которой позволяет продвигать ниппельную часть 104 по меньшей мере частично в полость 76 трубчатой мембраны 74 и создавать герметичное уплотнение с внутренней поверхностью 141 боковой стенки 78 трубчатой мембраны 74. Основная часть 108 фитинга характеризуется поверхностью 130 в форме усеченного конуса, которая сопрягается с соответствующей поверхностью 132 в форме усеченного конуса отверстия 80 пластинчатой части 82. Поверхности 130, 132 образуют фрикционную посадку, которая препятствует просачиванию герметизирующего материала 120 между пластинчатой частью 82 и фитингом 102 до затвердевания герметика 120. Сопрягаемое зацепление между поверхностями 130, 132 также препятствует вытягиванию фитинга 102 при повышении давления текучей среды в системе 10.

[0036] Герметик 120 поддерживает уплотнение между трубчатой мембраной 74 и фитингом 102. В качестве одного примера герметик 120 может химически связываться с материалом трубчатой мембраны 74 и, после затвердевания, препятствовать перемещению трубчатой мембраны 74. Герметик 120 может также химически связываться с корпусами 82 впускного и выпускного коллекторов 70, 72, например, в тех вариантах осуществления, где корпуса 82 изготовлены из полимера. Согласно другому варианту осуществления герметик 120 может не связываться химически с трубчатой мембраной 74, но присутствие затвердевшего герметика препятствует перемещению и/или расширению части трубчатой мембраны 74, находящейся в зацеплении с ниппельной частью 104 фитинга 102. Сохраняя уплотнение между трубчатой мембраной 74 и фитингом 102, герметик 120 не дает текучей среде просачиваться между концом 103 трубчатой мембраны 74 и ниппельной частью 104 и расширять конец 103 из-за контакта с текучей средой. Согласно некоторым вариантам осуществления материал трубчатой мембраны 74 расширяется при контакте с текучей средой, вследствие чего контакт герметика 120 с трубчатой мембраной 74 удерживает трубчатую мембрану 74 герметично прикрепленной к ниппельной части 104 выше по потоку от конца 103, вследствие чего конец 103 остается свободным от текучей среды и прикрепленным к фитингу 102. Таким образом, герметик 120 удерживает текучую среду в полости 76 трубчатой мембраны 74 и в стороне от конца 103 трубчатой мембраны 74.

[0037] Как показано на фиг. 6, согласно некоторым вариантам осуществления теплообменный узел 50 с трубчатыми мембранами может быть представлен без разделительных элементов 96. В этой форме трубчатые мембраны 74 проходят от впускного коллектора 70 до выпускного коллектора 72 без разделительных элементов 96.

[0038] На фиг. 7 впускной коллектор 70 показан без присоединенных трубчатых мембран 74. Хотя нижеследующее описание относится к впускному коллектору 70, выпускной коллектор 72 может иметь аналогичную конструкцию. Впускной коллектор 70 содержит бортик 150, выступающий за периферию пластинчатой части 82. Бортик 150 и пластинчатая часть 82 образуют углубление 152 для приема жидкого герметизирующего материала и удержания жидкого герметизирующего материала в контакте с трубчатыми мембранами 74 до тех пор, пока герметизирующий материал не будет отвержден и не затвердеет.

[0039] На фиг. 8 показана трубчатая мембрана 74, продвинутая в одно из отверстий 80 пластинчатой части 82. Впускной коллектор 70 содержит одну или несколько частей 154 боковой стенки, которые проходят в противоположном направлении от бортика 150 и образуют внутренний отсек впускного коллектора 70. Внутренний отсек 156 может представлять собой объем для получения текучей среды, которую впускной коллектор 70 затем направляет в трубчатые мембраны 74.

[0040] Согласно некоторым вариантам осуществления коллекторы 70, 72 и фитинги 102 изготовлены из одинаковых или разных металлических и/или полимерных материалов. Теплообменник 50 с трубчатыми мембранами может содержать один или несколько компонентов, изготовленных с помощью аддитивных или субтрактивных методов изготовления, таких как 3D-печать или фрезерование. В качестве дополнительных примеров один или несколько компонентов теплообменника 50 с трубчатыми мембранами могут быть получены формованием.

[0041] На фиг. 9 представлена часть другого теплообменника 169 с трубчатыми мембранами, который содержит трубчатые мембраны 170 и коллектор 172. На фиг. 9 показана часть теплообменника 169 с трубчатыми мембранами до нанесения герметизирующего материала на пластинчатую часть 182 коллектора 172.

[0042] Теплообменник 169 с трубчатыми мембранами содержит рукава 174, расположенные снаружи и поддерживающие трубчатые мембраны 170. Рукава 174 могут характеризоваться тканой структурой с отверстиями, которые пропускают воздушный поток через рукава 174. В одном примере рукава 174 содержат металлическую сетку, которая противостоит деформации трубчатых мембран 170 и содержит отверстия, которые позволяют воздушному потоку контактировать с трубчатыми мембранами 170 и удалять проникающий газ вблизи наружной поверхности трубчатых мембран 170.

[0043] Теплообменник 169 с трубчатыми мембранами содержит резиновые ленты 176, прикрепляющие рукава 174 и трубчатые мембраны 170 в них к фитингам, которые соединяют трубчатые мембраны 170 с коллектором 172. Согласно одному варианту осуществления фитинги похожи на фитинги 102, рассмотренные выше. Коллектор 172 содержит бортик 180, проходящий вокруг периферии пластинчатой части 182 коллектора 172. Кроме того, коллектор 172 содержит барьерную стенку 184, которая разделяет углубление 186 коллектора 172 на две половины. Барьерная стенка 184 позволяет заполнить герметизирующим материалом одну половину углубления 186 за один раз. Это может облегчить изготовление, поскольку углубление 186 заполняется герметизирующим материалом в результате последовательности операций по заливке герметизирующего материала.

[0044] На фиг. 10 представлена трубчатая мембрана 200, которая соединяется с пластинчатой частью 202 коллектора посредством фитинга 204. Согласно некоторым вариантам осуществления вокруг трубчатой мембраны 200 может быть предусмотрен рукав для поддержки трубчатой мембраны 200, как обсуждалось выше в отношении фиг. 9. Фитинг 204 содержит концевую часть 208, размер которой позволяет ей плотно прилегать к концевой части 206 трубчатой мембраны 206. Согласно одному варианту осуществления фитинг 204 представляет собой трубку, характеризующуюся наличием кольцевой боковой стенки 210 и цилиндрической внешней поверхности 212, которая входит в зацепление с поверхностью 223 отверстия 222. Цилиндрическая внешняя поверхность 212 характеризуется внешним диаметром, а поверхность 223 характеризуется внутренним диаметром, размеры которых позволяют создать плотную посадку между фитингом 204 и пластинчатой частью 202, что препятствует просачиванию жидкого герметика между фитингом 204 и пластинчатой частью 202, когда герметик наливается на пластинчатую часть 202. Кроме того, внешний диаметр внешней поверхности 212 может находиться в диапазоне±1% от внутреннего диаметра трубчатой мембраны 200. Трубчатая мембрана 200 и фитинг 204 могут быть выполнены с возможностью образования между ними герметичного уплотнения, а герметик 120 усиливает герметичное уплотнение, чтобы противостоять воздействию текучей среды под давлением. Согласно другим вариантам осуществления трубчатая мембрана 200 и фитинг 204 могут образовывать между собой герметичное уплотнение после затвердевания герметика 120.

[0045] Как показано на фиг. 10 и 11, трубчатая мембрана 200 соединена с пластинчатой частью 202 коллектора путем продвижения концевой части 208 фитинга 204 в полость 214 трубчатой мембраны 200. Фитинг 204 может входить в зацепление с трубчатой мембраной 200 и образовывать между ними герметичное соединение. Соединение может также включать продвижение противоположной концевой части 220 фитинга 204 в отверстие 222 пластинчатой части 202 коллектора. Концевая часть 220 фитинга 204 продвигается так, что концевая часть 220 выступает наружу от поверхности 224 пластинчатой части 202 коллектора. Трубчатая мембрана 200 характеризуется наличием конца 226, который расположен напротив или рядом с противоположной поверхностью 228 пластинчатой части 202 коллектора.

[0046] Для поддержания уплотнения между трубчатой мембраной 200 и фитингом 204, когда в трубчатую мембрану 200 поступает текучая среда под давлением, герметик 230 наносится на поверхность 228 пластинчатой части 202 коллектора и входит в контакт с трубчатой мембраной 200. Герметик 232 также наносится на поверхность 224 пластинчатой части 202 коллектора. Герметик 232 соединяется с концевой частью 220 фитинга 204, чтобы противостоять вытягиванию фитинга 204 в направлении 240. Герметики 230, 232 могут быть изготовлены из одинаковых или разных герметизирующих материалов. Каждый герметик 230, 232 может характеризоваться глубиной в диапазоне от 0,1 дюйма до 1 дюйма, например, приблизительно 0,25 дюйма или меньше. Согласно одному варианту осуществления фитинг 204 содержит тонкостенную трубку из нержавеющей стали.

[0047] На фиг. 12 показан коллектор 250, который содержит корпус 251 коллектора, содержащий фитинг 252 и пластинчатую часть 254 коллектора. Корпус 251 коллектора характеризуется цельной неразъемной конструкцией и может быть изготовлен из металлических или полимерных материалов. Фитинг 252 может содержать боковую стенку 256, характеризующуюся круглым поперечным сечением, вследствие чего боковая стенка 256 содержит цилиндрическую внешнюю поверхность 258.

[0048] Трубчатая мембрана 260 соединяется с фитингом 252 аналогично тому, как трубчатая мембрана 200 соединяется с фитингом 204, описанным выше. Коллектор 250 содержит герметик 262, который прикрепляет концевую часть 264 трубчатой мембраны 260 к фитингу 252. Согласно одному варианту осуществления трубчатая мембрана 260 характеризуется наличием конца 266, который входит в контакт с поверхностью 268 пластинчатой части 254 коллектора или находится рядом с ней. Фитинг 252 характеризуется наличием отверстия 270, сообщающегося с полостью 272 трубчатой мембраны 260 для прохождения текучей среды между трубчатой мембраной 260 и коллектором 250.

[0049] Согласно некоторым вариантам осуществления описанные выше трубчатые мембраны и фитинги могут характеризоваться круглым поперечным сечением. Согласно другим вариантам осуществления трубчатые мембраны и фитинги могут характеризоваться различными формами поперечного сечения, включая, без ограничения, круглую, эллиптическую, каплевидную, треугольную, квадратную, прямоугольную или их комбинацию.

[0050] Использование форм единственного числа предполагает охват форм как единственного, так и множественного числа, если иное не указано в настоящем документе или явно не противоречит контексту. Термины «содержащий», «характеризующийся наличием», «включающий» и «состоящий» должны толковаться как неограничивающие термины. Предполагается, что фраза «по меньшей мере один из», используемая в настоящем документе, будет толковаться в дизъюнктивном смысле. Например, фраза «по меньшей мере один из А и В» предназначена для охвата А, В или как А, так и В.

[0051] Хотя были проиллюстрированы и описаны конкретные варианты осуществления настоящего изобретения, специалистам в данной области техники будут понятны многочисленные изменения и модификации, и предполагается, что настоящее изобретение охватывает все те изменения и модификации, которые находятся в пределах объема прилагаемой формулы изобретения.

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в теплообменниках с трубчатыми мембранами. В одном аспекте предлагается узел трубчатой мембраны для теплообменника. Узел трубчатой мембраны содержит коллектор, содержащий корпус коллектора, трубчатую мембрану и фитинг, соединяющий трубчатую мембрану с корпусом коллектора. Фитинг выполнен с возможностью образования герметичного соединения между фитингом и трубчатой мембраной. Узел трубчатой мембраны дополнительно содержит герметик коллектора, удерживающий трубчатую мембрану соединенной с фитингом. Технический результат – повышение свойств тепломассообмена для теплообменника с трубчатыми мембранами за счет повышения герметичности мембранных труб в трубной решетке. 4 н. и 34 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Узел трубчатой мембраны для теплообменника, причем узел трубчатой мембраны содержит:

коллектор, содержащий корпус коллектора;

трубчатую мембрану;

фитинг, соединяющий трубчатую мембрану с корпусом коллектора, причем фитинг выполнен с возможностью образования герметичного соединения между фитингом и трубчатой мембраной; и

герметик коллектора, удерживающий трубчатую мембрану соединенной с фитингом.

2. Узел трубчатой мембраны по п. 1, в котором корпус коллектора содержит часть внешней поверхности, а фитинг выступает наружу от части внешней поверхности;

причем трубчатая мембрана имеет концевую часть, смежную с частью внешней поверхности; и

герметик покрывает часть внешней поверхности корпуса коллектора и концевую часть трубчатой мембраны.

3. Узел трубчатой мембраны по п. 1, в котором трубчатая мембрана содержит полость и боковую стенку, проходящую вокруг полости;

причем фитинг проходит в полость и входит в зацепление с боковой стенкой с образованием герметичного соединения между фитингом и трубчатой мембраной; и

герметик контактирует с боковой стенкой и удерживает трубчатую мембрану соединенной с фитингом.

4. Узел трубчатой мембраны по п. 1, дополнительно содержащий фиксатор, прикрепляющий трубчатую мембрану к фитингу.

5. Узел трубчатой мембраны по п. 1, в котором корпус коллектора содержит отверстие, и фитинг проходит в отверстие;

причем трубчатая мембрана содержит внутреннюю поверхность, определяющую по меньшей мере часть полости трубчатой мембраны, и внешнюю поверхность, противоположную внутренней поверхности;

фитинг содержит первую часть внешней поверхности, выполненную с возможностью зацепления с внутренней поверхностью трубчатой мембраны и образования герметичного уплотнения между трубчатой мембраной и фитингом; и

фитинг содержит вторую часть внешней поверхности, выполненную с возможностью образования соединения с корпусом коллектора, которое препятствует просачиванию жидкого герметика между второй частью внешней поверхности и корпусом коллектора.

6. Узел трубчатой мембраны по п. 1, в котором трубчатая мембрана содержит боковую стенку из материала, который является газопроницаемым и непроницаемым для жидкости.

7. Узел трубчатой мембраны по п. 1, в котором коллектор содержит бортик, проходящий по периферии герметика.

8. Узел трубчатой мембраны по п. 1, в котором корпус коллектора содержит отверстие, и фитинг проходит в отверстие;

причем корпус коллектора содержит внешнюю поверхность и внутреннюю поверхность, противоположную внутренней поверхности;

причем герметик находится на внешней поверхности; и

второй герметик на внутренней поверхности, противодействующий перемещению фитинга наружу.

9. Узел трубчатой мембраны по п. 1, в котором корпус коллектора содержит пластинчатую часть с отверстием;

причем фитинг проходит в отверстие;

другой герметик, препятствующий перемещению фитинга; и

причем пластинчатая часть находится между герметиком и другим герметиком.

10. Узел трубчатой мембраны по п. 1, в котором фитинг характеризуется длиной и поперечным сечением, перпендикулярным длине; и

причем фитинг имеет одинаковое поперечное сечение по существу по всей длине фитинга.

11. Узел трубчатой мембраны по п. 1, в котором корпус коллектора содержит сквозное отверстие с минимальной внутренней шириной в поперечном направлении;

причем фитинг проходит в отверстие; и

причем фитинг содержит центральную ось и часть зацепления, характеризующуюся шириной, поперечной к центральной оси, которая больше, чем минимальная внутренняя ширина сквозного отверстия корпуса коллектора, чтобы препятствовать вытягиванию фитинга из корпуса коллектора.

12. Узел трубчатой мембраны по п. 1, в котором корпус коллектора содержит отверстие, и фитинг проходит в отверстие;

причем фитинг содержит ниппельную часть с конической внешней поверхностью для образования герметичного соединения с трубчатым элементом; и

причем фитинг содержит основную часть с конической внешней поверхностью, которая входит в зацепление с сопрягаемой конической поверхностью корпуса коллектора, чтобы препятствовать вытягиванию фитинга из корпуса коллектора.

13. Узел трубчатой мембраны по п. 1, в котором фитинг и корпус коллектора имеют цельную неразъемную конструкцию.

14. Теплообменник с трубчатыми мембранами, содержащий:

впускной коллектор, содержащий корпус впускного коллектора;

выпускной коллектор, содержащий корпус выпускного коллектора;

множество трубчатых мембран;

множество впускных фитингов, соединяющих трубчатые мембраны с корпусом впускного коллектора;

герметик впускного коллектора, удерживающий трубчатые мембраны соединенными с впускными фитингами;

множество выпускных фитингов, соединяющих трубчатые мембраны с корпусом выпускного коллектора; и

герметик выпускного коллектора, удерживающий трубчатые мембраны соединенными с выпускными фитингами.

15. Теплообменник с трубчатыми мембранами по п. 14, в котором корпуса впускного и выпускного коллекторов содержат внешние поверхности;

причем впускные и выпускные фитинги выступают из внешних поверхностей;

причем трубчатые мембраны содержат концевые части на внешних поверхностях; и

причем герметик впускного и выпускного коллекторов покрывает внешние поверхности корпусов впускного и выпускного коллекторов и концевые части трубчатых мембран.

16. Теплообменник с трубчатыми мембранами по п. 14, в котором трубчатые мембраны содержат полости и боковые стенки, проходящие вокруг полостей; и

причем впускные и выпускные фитинги проходят в полости и входят в зацепление с боковой стенкой.

17. Теплообменник с трубчатыми мембранами по п. 14, в котором трубчатые мембраны содержат боковые стенки из материала, который является газопроницаемым и непроницаемым для жидкости.

18. Теплообменник с трубчатыми мембранами по п. 14, в котором корпуса впускного и выпускного коллекторов содержат пластинчатые части и сквозные отверстия в пластинчатых частях; и

причем впускные и выпускные фитинги проходят в сквозные отверстия пластинчатых частей.

19. Теплообменник с трубчатыми мембранами по п. 18, в котором трубчатые мембраны не проходят в сквозные отверстия пластинчатых частей.

20. Теплообменное устройство с трубчатыми мембранами по п. 14, дополнительно содержащее множество разделительных элементов вдоль трубчатых мембран, которые разделяют трубчатые мембраны.

21. Теплообменное устройство с трубчатыми мембранами по п. 14, в котором трубчатые мембраны содержат концевые части, образующие герметичные соединения с впускными и выпускными фитингами; и

фиксаторы, прикрепляющие концевые части трубчатых мембран к впускным и выпускным фитингам.

22. Теплообменное устройство с трубчатыми мембранами по п. 21, в котором фиксаторы заключены в герметик впускного и выпускного коллекторов.

23. Теплообменное устройство с трубчатыми мембранами по п. 14, в котором корпус впускного коллектора содержит бортик, проходящий по периферии герметика впускного коллектора; и

причем корпус выпускного коллектора содержит бортик, проходящий по периферии герметика выпускного коллектора.

24. Теплообменник, содержащий:

по меньшей мере один теплообменник с трубчатыми мембранами;

вентиляторный узел, выполненный с возможностью создания воздушного потока относительно по меньшей мере одного теплообменника с трубчатыми мембранами;

насос, выполненный с возможностью перекачивания текучей среды; и

причем по меньшей мере один теплообменник с трубчатыми мембранами выполнен с возможностью получения текучей среды, причем по меньшей мере один теплообменник с трубчатыми мембранами содержит:

впускной коллектор, содержащий корпус впускного коллектора;

выпускной коллектор, содержащий корпус выпускного коллектора;

множество трубчатых мембран; и

фитинги, соединяющие трубчатые мембраны с корпусами впускного и выпускного коллекторов.

25. Теплообменник по п. 24, в котором трубчатые мембраны содержат боковые стенки из материала, который является газопроницаемым и проницаемым для жидкости.

26. Теплообменник по п. 24, в котором трубчатые мембраны содержат полости и боковые стенки, проходящие вокруг полостей; и

причем фитинги проходят в полости и входят в зацепление с боковыми стенками.

27. Теплообменник по п. 24, в котором впускной коллектор и выпускной коллектор содержат герметик на корпусах впускного и выпускного коллекторов, удерживающий трубчатые мембраны соединенными с фитингами.

28. Теплообменник по п. 24, в котором по меньшей мере один теплообменник с трубчатыми мембранами содержит фиксаторы, прикрепляющие трубчатые мембраны к фитингам.

29. Теплообменник по п. 28, в котором впускной и выпускной коллекторы содержат герметик на корпусах впускного и выпускного коллекторов, покрывающий концевые части трубчатых мембран и фиксаторы.

30. Теплообменник по п. 24, в котором корпуса впускного и выпускного коллекторов содержат отверстия;

причем фитинги проходят в отверстия; и

впускной и выпускной коллекторы содержат герметик, удерживающий трубчатые мембраны соединенными с фитингами.

31. Теплообменник по п. 24, дополнительно содержащий впускной трубопровод для получения текучей среды и выпускной трубопровод; и

при этом по меньшей мере один теплообменный узел с трубчатыми мембранами содержит множество теплообменников с трубчатыми мембранами, разъемно соединенных с впускным и выпускным трубопроводами.

32. Теплообменник по п. 24, в котором каждый из корпусов впускного и выпускного коллекторов содержит множество отверстий; и

причем фитинги проходят в отверстия; и

слои герметика на противоположных сторонах каждого из корпусов впускного и выпускного коллекторов.

33. Способ изготовления теплообменника, причем способ предусматривает:

соединение впускных концевых частей трубчатых мембран с впускными фитингами, связанными с впускным коллектором, таким образом, чтобы впускные концевые части находились рядом с внешней поверхностью корпуса впускного коллектора;

нанесение первого герметика на внешнюю поверхность корпуса впускного коллектора и впускные концевые части трубчатых мембран;

соединение выпускных концевых частей трубчатых мембран с выпускными фитингами, связанными с выпускным коллектором, таким образом, чтобы выпускные концевые части находились рядом с внешней поверхностью корпуса выпускного коллектора; и

нанесение второго герметика на внешнюю поверхность корпуса выпускного коллектора и выпускные концевые части трубчатых мембран.

34. Способ по п. 33, в котором соединение впускных концевых частей трубчатых мембран с впускными фитингами предусматривает продвижение частей впускных фитингов в сквозные отверстия пластинчатой части корпуса впускного коллектора; и

причем соединение выпускных концевых частей трубчатых мембран с выпускными фитингами предусматривает продвижение частей выпускных фитингов в сквозные отверстия пластинчатой части корпуса выпускного коллектора.

35. Способ по п. 33, дополнительно предусматривающий размещение впускных фиксаторов на впускных концевых частях трубчатых мембран, соединенных с впускными фитингами; и

размещение выпускных фиксаторов на выпускных концевых частях трубчатых мембран, соединенных с выпускными фитингами.

36. Способ по п. 33, в котором соединение впускных концевых частей трубчатых мембран с впускными фитингами предусматривает размещение частей впускных фитингов в отверстиях корпуса впускного коллектора таким образом, чтобы части впускных фитингов находились внутри внутренней поверхности корпуса впускного коллектора;

причем соединение выпускных концевых частей трубчатых мембран с выпускными фитингами предусматривает размещение выпускных фитингов в отверстиях корпуса выпускного коллектора таким образом, чтобы части выпускных фитингов находились внутри внутренней поверхности корпуса выпускного коллектора;

нанесение третьего герметика на внутреннюю поверхность впускного коллектора и части впускных фитингов; и

нанесение четвертого герметика на внутреннюю поверхность выпускного коллектора и части выпускных фитингов.

37. Способ по п. 33, в котором соединение впускных концевых частей трубчатых мембран с впускными фитингами предусматривает соединение впускных концевых частей с ниппельными частями фитингов и установку увеличенных частей впускных фитингов вплотную к поверхностям корпуса впускного коллектора, чтобы препятствовать вытягиванию впускных фитингов; и

причем соединение выпускных концевых частей трубчатых мембран с выпускными фитингами предусматривает соединение выпускных концевых частей с ниппельными частями фитингов и установку увеличенных частей выпускных фитингов вплотную к поверхностям корпуса выпускного коллектора, чтобы препятствовать вытягиванию выпускных фитингов.

38. Способ по п. 33, дополнительно предусматривающий продвижение трубчатых мембран через отверстия множества разделительных элементов; и

размещение разделительных элементов между впускным и выпускным коллекторами вдоль трубчатых мембран.