ЛЕНТОЧНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК Российский патент 2024 года по МПК F28D9/00 F28F3/02 

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.

В теплообменной технике рекуперативного типа наряду с трубчатыми аппаратами используются аппараты с листовой поверхностью теплопередачи, к которым относятся пластинчатые, спиральные, ламельные, обладающие рядом преимуществ. В частности, известен пластинчатый теплообменник с теплопередающей поверхностью из тонких теплопроводящих листов, образующих щелевые каналы для прохода теплоносителей [1]. Достоинствами пластинчатого теплообменника [1] являются его высокая компактность и малая удельная материалоемкость. 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]. Известный спиральный 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 с листовой поверхностью теплопередачи, размещенной внутри корпуса [4]. Достоинствами известного ламельного теплообменника являются высокая компактность, возможность работы с теплоносителями при любом их фазовом состоянии, высоких температуре и давлении. К недостаткам относится большое количество сварных швов, сложность и трудоемкость изготовления.

Известен теплообменник, содержащий прямоугольной формы корпус, включающий боковые и торцовые стенки, из которых две противоположно расположенные боковые стенки имеют отверстия для входа и выхода теплоносителей, расположенную внутри корпуса поверхность теплопередачи, выполненную из волнообразно изогнутого листа и образующую теплообменную матрицу с чередующимися щелевыми каналами для прохода первого и второго теплоносителей [5] - прототип. Известный теплообменник имеет высокую компактность. Поверхность теплопередачи выполнена из одного цельного листа, что снижает трудоемкость изготовления устройства и повышает надежность его функционирования. Недостатками является большое количество комплектующих деталей и сварных швов, соединяющих между собой отдельные элементы устройства. Теплообменник имеет слабую жесткость, не позволяющую использовать теплоносители с повышенным давлением.

Техническая проблема, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в упрощении конструкции устройства.

Поставленная проблема решается тем, что предлагаемый ленточный теплообменник, содержащий прямоугольной формы корпус, включающий боковые и торцовые стенки, из которых две противоположно расположенные боковые стенки имеют отверстия для входа и выхода теплоносителей, расположенную внутри корпуса поверхность теплопередачи, выполненную из волнообразно изогнутого листа и образующую теплообменную матрицу с чередующимися щелевыми каналами для прохода первого и второго теплоносителей имеет исполнение поверхности теплопередачи и боковых стенок корпуса из одного цельного листа, прямые концевые части которого образуют противоположно расположенные боковые стенки с отверстиями для входа и выхода теплоносителей и кромками в направлении между торцовыми стенками корпуса соединены сваркой со смежными боковыми стенками корпуса, поверхность теплопередачи вершинами волн изогнутого листа соединена с имеющими окна для входа и выхода теплоносителей боковыми стенками корпуса по линиям их контакта с помощью сварных заклепок, торцовые стенки корпуса разъемно соединены с боковыми стенками корпуса и примыкают к теплообменной матрице через герметизирующие прокладки. Кроме того, на двух противоположно расположенных боковых стенках корпуса, имеющих окна для входа и выхода теплоносителей, установлены штуцеры с прямоугольной формой поперечного сечения для прохода теплоносителей, а в средних частях длины чередующихся щелевых каналов теплообменной матрицы для прохода первого и второго теплоносителей установлены ребристые вставки.

В отличие от известного устройства [5], исполнение поверхности теплопередачи и боковых стенок корпуса из одного цельного листа, прямые концевые части которого образуют противоположно расположенные боковые стенки с отверстиями для входа и выхода теплоносителей и кромками в направлении между торцовыми стенками корпуса соединены сваркой со смежными боковыми стенками корпуса, соединение поверхности теплопередачи вершинами волн изогнутого листа с имеющими окна для входа и выхода теплоносителей боковыми стенками корпуса по линиям их контакта с помощью сварных заклепок, разъемное соединение торцовых стенок корпуса с боковыми стенками корпуса и примыкание торцовых стенок к теплообменной матрице через герметизирующие прокладки, а также наличие на двух противоположно расположенных боковых стенках корпуса, имеющих окна для входа и выхода теплоносителей, штуцеров с прямоугольной формой поперечного сечения для прохода теплоносителей, размещение ребристых вставок в средних частях длины чередующихся щелевых каналов теплообменной матрицы для прохода первого и второго теплоносителей, позволяет уменьшить число сварных швов, упростить конструкцию, снизить номенклатуру комплектующих деталей и трудоемкость изготовления устройства. Соединение вершин волн изогнутого листа поверхности теплопередачи с боковыми стенками корпуса по линиям их контакта с помощью сварных заклепок обеспечивает необходимую жесткость системы «корпус - теплообменная матрица». Разъемное соединение торцовых стенок корпуса с боковыми стенками корпуса дает возможность при снятых торцовых стенках осуществлять механическую чистку поверхности теплопередачи от загрязнений. Примыкание торцовых стенок корпуса к теплообменной матрице через герметизирующие прокладки обеспечивает разобщенность канальных пространств для первого и второго теплоносителей в теплообменной матрице и исключает перетоки между первым и вторым теплоносителями. Наличие на двух противоположно расположенных боковых стенках корпуса, имеющих окна для входа и выхода теплоносителей, штуцеров с прямоугольной формой поперечного сечения для прохода теплоносителей обеспечивает равномерность раздачи теплоносителей по совокупности параллельных каналов теплообменной матрицы. Размещение ребристых вставок в средних частях длины чередующихся щелевых каналов теплообменной матрицы для прохода первого и второго теплоносителей дополнительно увеличивает жесткость конструкции и позволяет осуществлять работу при повышенных давлениях теплоносителей и при повышенных разностях давлений между ними. Кроме того, ребристые вставки являются средством интенсификации теплообмена и способствуют повышенной компактности устройства.

Ленточный теплообменник, являясь одноходовым по обоим теплоносителям, имеет малое гидравлическое сопротивление потоков теплоносителей и может работать как по схеме противотока, так и по схеме прямотока. Различие температурных расширений элементов корпуса и теплообменной матрицы в теплообменнике минимальное и компенсируется за счет их упругих свойств и упругих свойств герметизирующих прокладок в торцовых частях корпуса.

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 аналогичные устройства [1, 2, 3, 4] 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 схематично показан продольный разрез ленточного теплообменника; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - сечение В-В на фиг. 1; на фиг. 4 - поперечное сечение ленточного теплообменника в средней его части при наличии установленных в щелевых каналах ребристых вставок.

Ленточный теплообменник содержит прямоугольной формы корпус 1, который включает в себя две противоположно расположенные боковые стенки 2 с отверстиями 3 для входа и выхода первого и второго теплоносителей, две другие противоположно расположенные боковые стенки 4 и торцовые стенки 5. Внутри корпуса 1 расположена поверхность теплопередачи, выполненная из волнообразно изогнутого листа 6 и образующая теплообменную матрацу 7 с чередующимися щелевыми каналами 8 и 9 для прохода соответственно первого и второго теплоносителей. Прямые концевые части волнообразно изогнутого листа 6 образуют боковые стенки 2 с отверстиями 3 и своими кромками в направлении между торцовыми стенками 5 корпуса 1 соединены сварными швами 10 со смежными боковыми стенками 4 корпуса 1. Вершины волн изогнутого листа 6 соединены с боковыми стенками 2 корпуса 1 по линиям их контакта с помощью сварных заклепок 11. Торцовые стенки 5 корпуса 1 разъемно соединены с боковыми стенками 2 и 4 корпуса 1 и примыкают к теплообменной матрице 7 через герметизирующие прокладки 12. На боковых стенках 2 корпуса 1 в отверстиях 3 установлены штуцеры 13, 14, 15 и 16 с прямоугольной формой поперечного сечения для прохода теплоносителей. В средних частях длины щелевых каналов 8 и 9 для прохода теплоносителей установлены ребристые вставки 17.

Ленточный теплообменник работает следующим образом. Первый теплоноситель поступает в теплообменник через штуцер 13 и через окно 3 в верхней боковой стенке 2 корпуса 1 распределяется по параллельным щелевым каналам 9, каждый из которых ограничен теплопередающими стенками волн изогнутого листа 6 теплообменной матрицы 7, верхней боковой стенкой 2 корпуса 1 и на концах - герметизирующими прокладками 12, прижатыми к теплообменной матрице 7 торцовыми стенками 5 корпуса 1. Пройдя по параллельным щелевым каналам 9 и изменив свою температуру в процессе теплообмена, первый теплоноситель выходит из щелевых каналов 9 через отверстие 3 в верхней боковой стенке 2 корпуса 1 в примыкающий к отверстию 3 штуцер 14, откуда одним общим потоком удаляется из ленточного теплообменника. При работе ленточного теплообменника по схеме противотока второй теплоноситель вводится через штуцер 16, через окно 3 в нижней боковой стенке 2 корпуса 1 распределяется по параллельным щелевым каналам 8, ограниченным теплопередающими стенками волн изогнутого листа 6 теплообменной матрицы 7, нижней боковой стенкой 2 корпуса 7 и на концах - герметизирующими прокладками 12, прижатыми к теплообменной матрице 7 торцовыми стенками 5 корпуса 1. Пройдя по параллельным щелевым каналам 8 и изменив свою температуру в процессе теплообмена, второй теплоноситель поступает через отверстие 3 в нижней боковой стенке 2 корпуса 1 в штуцер 15, откуда одним общим потоком выводится из теплообменника. Разобщение и герметичность полостей совокупностей щелевых каналов 9 и 8 с потоками первого и второго теплоносителей обеспечивается за счет сварных швов 10, соединяющих между собой боковые стенки 2 и 4 корпуса 1, а также с помощью герметизирующих прокладок 12.

При работе ленточного теплообменника по схеме противотока второй теплоноситель подается в теплообменник через штуцер 15 и выводится через штуцер 16.

Ширина параллельных щелевых каналов 8 и 9 может изменяться в широких пределах и иметь малую величину, например, 0,5-1 мм. При малой ширине каналов теплообмен потоков теплоносителей отличается повышенной интенсивностью и увеличивается компактность теплообменника. При использовании теплоносителей дающих отложения на стенках теплообменной матрицы 7 и необходимости периодического удаления отложений механическим способом, ширина каналов должна обеспечивать возможность ввода в них соответствующих очистных устройств и их элементов через патрубки 13, 14, 15 и 16. Наиболее полная очистка от отложений осуществляется при снятых торцовых стенках 5 корпуса 1 и герметизирующих прокладках 12.

При работе с чистыми теплоносителями, не дающими отложений на поверхности теплопередачи, в средних частях длины щелевых каналов 8 и 9 устанавливаются ребристые вставки 17, дающие возможность увеличить жесткость и компактность устройства.

Предлагаемый ленточный теплообменник имеет следующие преимущества:

- теплопередающая поверхность и корпус устройства выполнены из одного цельного листа;

- конструкция проста и технологична в изготовлении;

- содержит минимальное количество сопрягаемых элементов;

- сравнительно 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, а.

5. Патент JP 2012117681. МПК F28F3/04; F28F3/08; F28F3/10. Опубл. 21.06.2012.

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в рекуперативных теплообменных устройствах. Ленточный теплообменник, содержащий прямоугольной формы корпус, включающий боковые и торцовые стенки, из которых две противоположно расположенные боковые стенки имеют отверстия для входа и выхода теплоносителей, расположенную внутри корпуса поверхность теплопередачи, выполненную из волнообразно изогнутого листа и образующую теплообменную матрицу с чередующимися щелевыми каналами для прохода первого и второго теплоносителей, имеет исполнение поверхности теплопередачи и боковых стенок корпуса из одного цельного листа, прямые концевые части которого образуют противоположно расположенные боковые стенки с отверстиями для входа и выхода теплоносителей и кромками в направлении между торцовыми стенками корпуса, соединены сваркой со смежными боковыми стенками корпуса, поверхность теплопередачи вершинами волн изогнутого листа соединена с имеющими окна для входа и выхода теплоносителей боковыми стенками корпуса по линиям их контакта с помощью сварных заклепок, торцовые стенки корпуса разъемно соединены с боковыми стенками корпуса и примыкают к теплообменной матрице через герметизирующие прокладки. Кроме того, на двух противоположно расположенных боковых стенках корпуса, имеющих окна для входа и выхода теплоносителей, установлены штуцеры с прямоугольной формой поперечного сечения для прохода теплоносителей, а в средних частях длины чередующихся щелевых каналов теплообменной матрицы для прохода первого и второго теплоносителей установлены ребристые вставки. Технический результат - упрощение конструкции устройства. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Ленточный теплообменник, содержащий прямоугольной формы корпус, включающий боковые и торцовые стенки, из которых две противоположно расположенные боковые стенки имеют отверстия для входа и выхода теплоносителей, расположенную внутри корпуса поверхность теплопередачи, выполненную из волнообразно изогнутого листа и образующую теплообменную матрицу с чередующимися щелевыми каналами для прохода первого и второго теплоносителей, отличающуюся тем, что поверхность теплопередачи и боковые стенки корпуса выполнены из одного листа, прямые концевые части которого образуют противоположно расположенные боковые стенки с отверстиями для входа и выхода теплоносителей и кромками в направлении между торцовыми стенками корпуса, соединены сваркой со смежными боковыми стенками корпуса, поверхность теплопередачи вершинами волн изогнутого листа соединена с имеющими окна для входа и выхода теплоносителей боковыми стенками корпуса по линиям их контакта с помощью сварных заклепок, торцовые стенки корпуса разъемно соединены с боковыми стенками корпуса и примыкают к теплообменной матрице через герметизирующие прокладки.

2. Ленточный теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что на двух противоположно расположенных боковых стенках корпуса, имеющих окна для входа и выхода теплоносителей, установлены штуцеры с прямоугольной формой поперечного сечения для прохода теплоносителей.

3. Ленточный теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что в средних частях длины чередующихся щелевых каналов теплообменной матрицы для прохода первого и второго теплоносителей установлены ребристые вставки.