Полифункциональный пластинчатый теплообменник Российский патент 2024 года по МПК F28D9/00 F28F3/02 F28F13/12 

Предлагаемое изобретение относится к теплоэнергетике, а именно, к теплообменному оборудованию и может быть использовано для утилизации тепла сбросных газов и жидкостей, а именно, для утилизации тепла дымовых газов котельных агрегатов, промышленных печей, вентиляционных выбросов.

Известен пластинчатый теплообменник, включающий кожух, в котором помещен пакет теплообменных пластин, которые формируют первые промежутки (каналы) между пластинами для первой (охлаждающей) среды (например, воздуха) и вторые промежутки (каналы) между пластинами для второй (охлаждаемой) среды. Кожух снабжен трубными досками и крышками, в которых устроены входные и выходные отверстия (патрубки) для входа в пластинчатый теплообменник и выхода из него нагреваемой и охлаждаемой сред, а теплообменные пластины соединяются с кожухом, трубными досками и крышками через уплотнения [Патент РФ №2426965, Мкл F 28 D 9/ 00, Мкл F 28 G 13/ 00, 2009].

Основным недостатком известного пластинчатого теплообменника является отсутствие в каналах устройств, турбулизирующих потоки теплоносителей и невозможность очистки сбросных газов от вредных примесей, что снижает скорость теплообмена между теплоносителями, экологические характеристики и эффективность устройства.

Более близким к предлагаемому изобретению является пластинчатый воздухоподогреватель, содержащий пакет из плоских пластин, покрытых антикоррозионным покрытием, с турбулизующими выступами (турбулизаторами), образующие между собой каналы для теплообменивающихся потоков газа и воздуха [А. с. СССР № 1575062, Мкл. F 28 D9/02, 1990].

Основными недостатками известного пластинчатого воздухоподогревателя являются сложность его конструкции, обусловленная необходимостью изготовления пластин с турбулизующими выступами, сложность очистки поверхностей этих пластин от загрязнений (частиц пыли, золы, сажи и т. д.) при работе теплообменника с запыленными теплоносителями и невозможность очистки сбросных газов от вредных примесей, что снижает его экономическую и экологическую эффективность.

Техническим результатом, на решение которого направлено предлагаемое изобретение, является повышение экономической и экологической эффективности полифункционального пластинчатого теплообменника.

Технический результат достигается тем, что предлагаемый полифункциональный пластинчатый теплообменник содержит горизонтальный кожух, изготовленный в форме прямоугольного параллепипеда, верх, днище и торцы которого выполнены в виде верхней и нижней трубных досок с прямоугольными отверстиями и двух торцевых трубных досок с прямоугольными отверстиями, внутри кожуха помещен пакет, состоящий из теплообменных пластин, установленных между верхней и нижней трубными досками и торцевыми трубными досками с образованием между собой вертикальных газовых каналов (охлаждаемой среды), сообщающихся с отверстиями и горизонтальных воздушных каналов (охлаждающей среды), сообщающихся с отверстиями торцевых трубных досок, при этом, с торцов, сверху, снизу кожух закрыт торцевыми, верхней и нижней крышками, которые снабжены входными и выходными патрубками, а в вертикальных газовых каналах расположены комплексные очистители, представляющие собой вертикальные корзины с перфорированной оболочкой, выполненной из нержавеющего материала, длина и высота которых определяются соответствующими размерами вертикальных газовых каналов, установленные на опорные кронштейны, прикрепленные к нижней трубной доске, каждая корзина с боковых сторон снабжена турбулизаторами, выполненными в форме прямоугольных лепестков, размещенных в шахматном порядке с наклоном под углом 450 в сторону движения газового потока в каналах, полости корзин заполнены гранулами пемзы, изготовленной из металлургических шлаков с модулем основности М>1 и диаметром гранул от 5 до 10 мм, вверху газовых каналов над каждой корзиной установлены распределители промывочной воды, представляющие собой перфорированные снизу трубы, соединенные с коллектором промывочной воды и трубопроводом промывочной воды, снабженным запорным устройством, а в газопроводе очищенного газа расположен сливной штуцер промывочной воды.

Предлагаемый полифункциональный пластинчатый теплообменник (ПФПТО) изображен на фиг. 1–5 (фиг. 1,2 – общий вид и разрезы, фиг 3 – 5 комплексный очиститель, его узел и разрез).

ПФПТО состоит из горизонтального кожуха 1, изготовленного в форме прямоугольного параллепипеда, верх, днище и торцы которого выполнены в виде верхней 2 и нижней трубных досок 3 с прямоугольными отверстиями 4 и двух торцевых трубных досок 5, 6 с прямоугольными отверстиями 7, внутри кожуха 1 помещен пакет 8 состоящий из теплообменных пластин 9, установленных между верхней и нижней трубными досками 2 и 3 и торцевыми трубными досками 5 и 6 с образование между собой вертикальных газовых каналов (охлаждаемой среды) 10, сообщающихся с отверстиями 4 и горизонтальных воздушных каналов (охлаждающей среды) 11, сообщающихся с отверстиями 7 торцевых трубных досок 5 и 6, при этом, с торцов, сверху, снизу кожух 1 закрыт торцевыми крышками 12, 13 и верхней и нижней крышками 14, 15, которые снабжены входными и выходными патрубками 16, 17 и 18, 19, соответственно, а в вертикальных каналах 10 расположены комплексные очистители 20, представляющие собой вертикальные корзины с перфорированной оболочкой 21, выполненной из нержавеющего материала, длина и высота которых определяются соответствующими размерами вертикальных каналов 10, установленные на опорные кронштейны 22, прикрепленные к нижней трубной доске 3, каждая корзина 20 с боковых сторон снабжена турбулизаторами 23, выполненными в форме прямоугольных лепестков, размещенных в шахматном порядке с наклоном под углом 450 в сторону движения газового потока в каналах 10 (вверх), полости корзин 20 заполнены гранулами пемзы 24, изготовленной из металлургических шлаков с модулем основности М>1 и диаметром гранул от 5 до 10 мм, вверху каналов 10 над каждой корзиной 20 установлены распределители промывочной воды 25, представляющие собой перфорированные снизу трубы, соединенные с коллектором промывочной воды 26 и трубопроводом промывочной воды 27, снабженным запорным устройством 28, а в газопроводе очищенного газа расположен сливной штуцер промывочной воды (на фиг. 1–5 не показаны).

В основе работы предлагаемого ПФПТО лежит использование в качестве адсорбента для вредных компонентов сбросных газов гранулированной шлаковой пемзы 24 и турбулизаторов 23, выполненных в форме прямоугольных лепестков, размещенных в шахматном порядке с наклоном под углом 450 в сторону движения газового потока в каналах 10. Шлаковая пемза, изготовленная из основных металлургических шлаков, представляет собой материал с высокопористой механически прочной структурой (прочность на сдавливание до 2,7 МПа), состоящий из оксида кальция, оксида кремния, оксида алюминия и частично из оксида магния (CaO, SiO2, Al2O3, MnO) c модулем основности М>1 [Строительные материалы. Справочник. Под ред. Болдырева А. С. и др. –М.: Стройизд.,1989, с. 423; Домокеев А. К. Строительные материалы. – М.: Высш. школа, 1989, с. 163]. Высокое значение модуля основности придает гранулам шлаковой пемзы 24 основные свойства, позволяющие сорбировать на их поверхности вещества, обладающие кислыми свойствами, к которым относятся и вредные примеси, которые присутствуют в отработавших газах (NOx, SOx, СОx), а высокая пористость их структуры позволяет использовать гранулы шлаковой пемзы в качестве эффективного звукопоглощающего материала [В. Н. Богословский и др. Отопление и вентиляция, Ч. II.–М.; Стройиздат, 1978, с. 391]. Кроме того, исходя из своего состава, гранулы шлаковой пемзы устойчивы к коррозионному воздействию кислых компонентов сбросных газов, широко доступны и дешевы. Использование турбулизаторов 23, выполненных в форме прямоугольных лепестков, размещенных в шахматном порядке с наклоном под углом 450 в сторону движения газового потока в каналах 10 позволяет направит поток газов в полость корзины 20, заполненную гранулами доменного шлака и турбулизовать газовый поток, что одновременно обеспечивает его очистку и повышает скорость теплопередачи.

Установка комплексных очистителей 20 в вертикальные каналы 10 производится при снятой торцевой крышке 12 на опорные кронштейны 22, на которых положение корзин 20 фиксируется таким образом, чтобы обеспечить требуемое живое сечение каналов 10 для прохода сбросных газов и лепестки турбулизаторов 23 не касались теплообменных пластин 9 (фиксаторы на фиг. 1–5 не показаны). Далее короб 1 соединяют с торцевой крышкой 13 и верхними и нижними крышками 14 и 15 (узлы крепления на фиг. 1–5 не показаны).

Предлагаемый ПФПТО работает следующим образом. Охлаждаемая среда, например, дымовые газы, поступает через входной патрубок 18, распределяется по отверстиям 4 трубной доски 2 и направляется в вертикальные газовые каналы 10 пакета 8, при движении по которым дымовые газы охлаждаются в результате теплообмена до заданной температуры через теплообменные пластины 9 с охлаждающей средой, например, наружным воздухом, движущимся по горизонтальным воздушным каналам 11, после чего охлажденные дымовые газы через отверстия 4 трубной доски 3 и через патрубок 19 выводится из теплообменника. В тоже время воздух (охлаждающая среда) подается сбоку через патрубок 16 и воздушные отверстия 7 в горизонтальные воздушные каналы 11 пакета 8, нагревается от t0 до tГ при этом в результате теплообмена через теплообменные пластины 9 с охлаждаемыми газами, движущимся по вертикальным каналам 10, после чего нагретый воздух через воздушные отверстия 7 трубной доски 6 поступает в патрубок 17, откуда подается потребителю. При этом, лепестки турбулизаторов 23, соединенные с перфорированной корзиной 21 комплексных очистителей 20 под углом 450 относительно плоскости их боковой поверхности, направляют поток газа в объем гранул шлаковой пемзы, где он очищаются от вредных газообразных (NOx, SOx, СОx) и твердых примесей, турбулизируют его, что одновременно позволяет очистить газы от вредных компонентов и увеличить скорость теплопередачи между потоками газов и воздуха. Кроме того, наличие турбулизаторов 23, расположенных в ядре потока дымовых газов обеспечивает завихрение всего потока, достигающего самих стенок каналов 10, что предотвращает осаждение на них твердых примесей и дополнительно увеличивает эффективность теплопередачи и срок эффективной работы ПФПТО.

При падении активности гранул 24 их подвергают регенерации. Процесс регенерации заключается в очистке поверхности и пор гранул шлаковой пемзы 24от мелкодисперсных частиц и адсорбированных молекул вредных примесей и осуществляется путем промывки гранул 24 из распределителей промывочной воды 25 водой, подаваемой через коллектор промывочной воды 26, соединенный с трубопроводом промывочной воды 27 при открытом запорном устройстве 28 и удалении грязной воды из корзин 21 через патрубок 18 и сливной штуцер промывочной воды в газопроводе очищенного газа (на фиг. 1–5 не показаны).

Замену отработавшего гранулированного шлака производят путем снятия крышки 12 и извлечения корзин 21, в которых производят замену отработавших гранул 24 на свежие и последующей установки заполненных корзин 21 в вертикальные каналы 10 и крышки 12 (узлы крепления на фиг. 1–5 не показаны).

Размеры ПФПТО, суммарный объем гранул шлаковой пемзы 24, число корзин 21, их длина, высота и ширина, ширина газовых и воздушных каналов 10, 11, расход промывочной воды определяются в зависимости от мощности теплообменника и требуемой степени очистки сбросных газов.

Взаимное перпендикулярное расположение воздушных 10 и газовых 11 каналов в ПФПТО позволяет осуществлять процесс теплообмена по перекрестной схеме движения теплоносителей, что обеспечивает достаточно высокую движущую силу теплопередачи и широко используется в воздухоподогревателях для парогенераторов [Тепловой расчет промышленных парогенераторов. Под ред. Частухина В. И. – Киев: Вища школа, 1980, с. 50], позволяет значительно упростить конструкцию крышек 12, 13, 14, 15 (внутреннюю полость крышек не нужно делить перегородками на воздушные и газовые каналы) и уменьшить их вес, значительно снизить аэродинамическое сопротивление по сравнению с известными пластинчатыми теплообменниками с конструкциями крышек для прямоточной и противоточной схем движения теплоносителей.

Таким образом, конструкция предлагаемого ПФПТО позволяет за счет устройства в нем комплексных очистителей, снабженных лепестковыми турбулизаторами и обеспечения перекрестного движения теплообменивающихся сред в каналах, повысить его эффективность и надежность по сравнению с известными пластинчатыми теплообменниками.

Работа выполнена в рамках реализации программы развития ФГБОУ ВО «Юго-Западный государственный университет» проекта «Приоритет 2030».

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в пластинчатых теплообменниках для утилизации тепла сбросных газов и жидкостей. В полифункциональном пластинчатом теплообменнике, содержащем вертикальные и горизонтальные каналы для охлаждаемой и охлаждающей среды, в вертикальных каналах расположены комплексные очистители, представляющие собой вертикальные корзины с перфорированной оболочкой, выполненной из нержавеющего материала, длина и высота которых определяются соответствующими размерами вертикальных каналов, установленные на опорные кронштейны, прикрепленные к нижней трубной доске, каждая корзина с боковых сторон снабжена турбулизаторами, выполненными в форме прямоугольных лепестков, размещенных в шахматном порядке с наклоном под углом 45° в сторону движения потока в вертикальных каналах, полости корзин заполнены гранулами пемзы, изготовленной из металлургических шлаков с модулем основности М>1 и диаметром гранул от 5 до 10 мм, вверху вертикальных каналов над каждой корзиной установлены распределители промывочной воды, представляющие собой перфорированные снизу трубы, соединенные с коллектором и трубопроводом промывочной воды, снабженным запорным устройством, а в газопроводе очищенного газа расположен сливной штуцер промывочной воды. Технический результат -повышение эффективности и надежности полифункционального пластинчатого теплообменника. 5 ил.

Пластинчатый теплообменник с вставными турбулизаторами, содержащий кожух, снабженный трубными досками и крышками, входными и выходными патрубками для входа и выхода теплообменивающихся сред, в котором помещен пакет, состоящий из теплообменных пластин с турбулизаторами, которые формируют каналы для охлаждаемой и охлаждающей среды и соединяются с кожухом, трубными досками и крышками, отличающийся тем, что кожух выполнен горизонтальным в форме прямоугольного параллепипеда, верхняя, нижняя и торцевые трубные доски выполнены с прямоугольными отверстиями для охлаждающей и охлаждаемой среды, каналы охлаждаемой среды соединены с отверстиями верхней и нижней трубных досок и направлены вертикально, каналы охлаждающей среды соединены с прямоугольными отверстиями торцевых трубных досок и направлены горизонтально, в вертикальных каналах установлены комплексные очистители, представляющие собой вертикальные корзины с перфорированной оболочкой, выполненной из нержавеющего материала, длина и высота которых определяются соответствующими размерами вертикальных каналов, установленные на опорные кронштейны, прикрепленные к нижней трубной доске, каждая корзина с боковых сторон снабжена турбулизаторами, выполненными в форме прямоугольных лепестков, размещенных в шахматном порядке с наклоном под углом 45° в сторону движения потока в вертикальных каналах, полости корзин заполнены гранулами пемзы, изготовленной из металлургических шлаков с модулем основности М>1 и диаметром гранул от 5 до 10 мм, вверху вертикальных каналов над каждой корзиной установлены распределители промывочной воды, представляющие собой перфорированные снизу трубы, соединенные с коллектором и трубопроводом промывочной воды, снабженным запорным устройством, а в газопроводе очищенного газа расположен сливной штуцер промывочной воды.