МНОГОХОДОВОЙ ПЕТЛЕВОЙ ТЕПЛООБМЕННИК Российский патент 2025 года по МПК F28D9/02 F28F9/22 

Область техники, к которой относится техническое решение.

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.

Уровень техники.

Известен пластинчатый теплообменник (см. 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) с теплопередающей поверхностью из тонких теплопроводящих листов, образующих щелевые каналы для прохода теплоносителей, отличающийся от широко используемых трубчатых теплообменников большей компактностью и меньшей удельной материалоемкостью. К недостаткам данного устройства и других аналогичных устройств относится сложность изготовления, большое количество закладных уплотняющих элементов, высокое гидравлическое сопротивление движению теплоносителей.

В известном пластинчатом теплообменнике (см. Патент RU № 2094726 С1. МПК F28D 9/00, F28F 3/02. Опубл. 27.10.1997) с листовой поверхностью теплопередачи гидравлическое сопротивление относительно невелико за счет одноходового движения теплоносителей. Недостатком является сложность конструкции и большое количество закладных уплотняющих элементов.

Известен спиральный теплообменник с теплопередающей поверхностью из листа в виде двухзаходной цилиндрической спирали внутри корпуса (см. Патент RU № 2687669 С1. МПК F28D 1/047. Опубл. 15.05.2019. Бюл. № 14). Данный теплообменник обладает повышенной интенсивностью теплообмена потоков теплоносителей в спиральных каналах. К недостаткам относится сложность изготовления и трудности обеспечения герметичности каналов.

Известен теплообменник, содержащий листовую поверхность теплопередачи, размещенную внутри цилиндрического корпуса и образующую теплообменную матрицу с чередующимися каналами для первого и второго теплоносителей (см. Барановский Н.В., Коваленко Л.М., Ястребенецкий А.Р. Пластинчатые и спиральные теплообменники. М.: Машиностроение, 1973. с. 33, рис. 20, б). Данный теплообменник имеет высокую компактность. К недостаткам относится большое количество сварных швов между элементами теплопередающей поверхности, сложность и трудоемкость изготовления.

Известен петлевой теплообменник, содержащий теплообменную матрицу, выполненную из листа с изгибами в форме петлей, которые образуют чередующиеся каналы для первого и для второго теплоносителей, крышки, размещенные между крышками и теплообменной матрицей уплотняющие прокладки, входные и выходные патрубки для первого и второго теплоносителей (см. Патент РФ № 2804786, МПК F28D 9/00, F28D 9/02, F28F 1/00, F29F 1/02. Опубл. 5.10.2023. Бюл. № 28) – прототип. Поверхность теплопередачи в данном теплообменнике может изготавливаться из одного листа, который замыкается путем сварного соединения двух его противоположных кромок, что повышает технологичность изготовления устройства. К недостаткам относится невозможность осуществления многоходового движения теплоносителей и наличие несимметричности распределения их скоростей по площади поперечных сечений каналов, имеющих форму секторов, расширяющихся в направлении радиуса цилиндрической теплообменной матрицы. Последнее может приводить к уменьшенной интенсивности теплообмена теплоносителей в центральной части цилиндрической теплообменной матрицы.

Раскрытие сущности изобретения.

Техническая проблема, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в упрощении конструкции устройства и в возможности обеспечивать многоходовое движение теплоносителей.

Поставленная проблема решается тем, что в предлагаемом многоходовом петлевом теплообменнике, содержащем теплообменную матрицу, выполненную из листа с изгибами в форме петлей, которые образуют чередующиеся каналы для первого и для второго теплоносителей, крышки, размещенные между крышками и теплообменной матрицей уплотняющие прокладки, входные и выходные патрубки для первого и второго теплоносителей, согласно решению концы листа, из которого выполнена теплообменная матрица, изогнуты с образованием двух камер, каждая из которых примыкает к одной из противоположно расположенных сторон теплообменной матрицы, кромки листа герметично соединены с крайними петлями теплообменной матрицы, в каналах и камерах установлены продольные перегородки, обеспечивающие многоходовое движение первого и второго теплоносителей и разделяющие камеры на отсеки, входной и выходной патрубки для первого теплоносителя размещены на одной камере, а входной и выходной патрубки для второго теплоносителя размещены на другой камере, крышки соединены между собой резьбовыми стяжками. Кроме того, продольные перегородки установлены с использованием фиксаторов положения. На плоских частях поверхностей петлей теплообменной матрицы имеются элементы дискретной шероховатости.

Исполнение концов листа, из которого выполнена теплообменная матрица, изогнутыми, с образованием двух камер, каждая из которых примыкает к одной из противоположно расположенных сторон теплообменной матрицы, соединение кромок листа герметично с крайними петлями теплообменной матрицы, наличие в каналах и камерах продольных перегородок, обеспечивающих многоходовое движение первого и второго теплоносителей и разделяющих камеры на отсеки, размещение входного и выходного патрубков для первого теплоносителя на одной камере, а входного и выходного патрубков для второго теплоносителя на другой камере, соединение крышек между собой резьбовыми стяжками, позволяет упростить конструкцию и изготовление теплообменника и обеспечить многоходовое движение теплоносителей. Теплообменник не имеет кожуха, что снижает его материалоемкость. Изготовление теплообменника будет сводиться к совокупности простых технологических операций, связанных, в основном, с обработкой листовых заготовок. Обеспечение многоходового движения теплоносителей расширяет рабочие интервалы функционирования теплообменника по температурам нагрева-охлаждения и физическим свойствам первого и второго теплоносителей и при этом позволяет сохранять габаритные размеры теплообменника в целесообразных границах диапазонов их изменения. Число ходов для первого и для второго теплоносителей четное и одинаковое. В зависимости от направления движения первого и второго теплоносителей относительно друг друга работа теплообменника может осуществляться по противоточно-прямоточной схеме, когда в каждом ходе первый и второй теплоносители перемещаются в одном направлении, а в теплообменнике в целом движение противоточное, и по прямоточно-противоточной схеме, когда по ходам движение теплоносителей противоточное, а в теплообменнике в целом - прямоточное. В первой из этих двух схем процесс теплопередачи между теплоносителями протекает в режиме ступенчатого противотока, а во второй – в режиме ступенчатого прямотока. Формирующие ходы первого и второго теплоносителей и разделяющие объемы камер на отсеки, продольные перегородки устанавливаются в нужном положении с помощью фиксаторов, например, в виде прошивающих продольные перегородки стержней или в виде плоских проставок. Возможны и другие способы крепления продольных перегородок, в частности, с помощью штифтов или выштамповок (впадин, выступов) на стенках каналов. Продольные перегородки дополнительно к своей основной функции способствуют повышению общей жесткости теплообменной матрицы и всего устройства в целом. Разобщение каналов для первого и для второго теплоносителей и их герметизация обеспечивается размещенными между крышками и теплообменной матрицей уплотняющими прокладками, которые могут выполняться, например, из вулканизата. Полному и плотному контакту уплотняющих прокладок с кромками петлей теплообменной матрицы способствует соединение крышек между собой резьбовыми стяжкам, которые за счет стягивания крышек обеспечивают необходимый прижим уплотняющих прокладок к кромкам петлей, а при рассоединении дают возможность снимать крышки с уплотняющими прокладками для проведения ревизий и чистки поверхности теплопередачи теплообменной матрицы от загрязнений. Наличие на плоских частях поверхностей петлей теплообменной матрицы элементов дискретной шероховатости, выполненных в виде выступов и впадин, интенсифицирует теплообмен потоков теплоносителей в каналах и, как следствие, позволяет увеличить компактность и уменьшить материалоемкость теплообменника.

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

Краткое описание чертежей.

Предлагаемое техническое решение поясняется чертежами. На фиг. 1 показан разрез А-А на фиг. 2 предлагаемого многоходового петлевого теплообменника; на фиг. 2 – разрез В-В на фиг.1.

Позициями на чертежах обозначены:

1 – теплообменная матрица;

2 – лист;

3 – петли;

4, 5 – каналы;

6, 7 – камеры;

8, 9 – крышки;

10, 11 – уплотняющие прокладки;

12 – резьбовая стяжка;

13 – продольная перегородка;

14 – раздающий отсек;

15 – поворотный отсек;

16 – собирающий отсек;

17 – окно в канале 4;

18 – окно в камере 6;

19 – окно в канале 5;

20 – окно в камере 7.

21 – фиксатор;

22, 24 – входной патрубок;

23, 25 – выходной патрубок.

Осуществление изобретения.

Многоходовой петлевой теплообменник содержит теплообменную матрицу 1, выполненную из листа 2 с изгибами в форме петлей 3, которые образуют чередующиеся каналы 4 и 5 соответственно для первого и второго теплоносителей. Концы листа 2 изогнуты с образованием камер 6 и 7, а его кромки герметично соединены с крайними петлями 3 теплообменной матрицы 1. К двум, противоположно расположенным, сторонам теплообменной матрицы 1 примыкают крышки 8 и 9 с уплотняющими прокладками соответственно 10 и 11. Крышки 8 и 9 соединены между собой резьбовыми стяжками 12. В каналах 4 и 5 и камерах 6 и 7 установлены продольные перегородки 13 с образованием в камерах раздающих 14, поворотных 15 и собирающих 16 отсеков, а также окон 17 в каналах 4 и окон 18 в камере 6 для прохода первого теплоносителя и окон 19 в каналах 5 и окон 20 в камере 7 для прохода второго теплоносителя. На фиг. 1 и 2 показан четырехходовой теплообменник с одним поворотным отсеком 15 в каждой из камер 6 и 7. При любом другом четном числе ходов z теплоносителей количество n поворотных отсеков в каждой из камер 6 и 7 составляет n = z/2-1. Продольные перегородки 13 установлены с использованием фиксаторов положения 21, которые дистанционируют перегородки между собой и закрепляют их в теплообменной матрице 1. На камере 6 размещены входной 22 и выходной 23 патрубки для первого теплоносителя, а на камере 7 размещены входной 24 и выходной 25 патрубки для второго теплоносителя. Данное размещение патрубков обеспечивает работу теплообменника по противоточно-прямоточной схеме. При работе по прямоточно-противоточной схеме входной и выходной патрубки на одной из камер 6 или 7 меняются местами. Соответственно этому, раздающий отсек 14 в данной камере становится собирающим, а собирающий отсек 16 становится раздающим.

Многоходовой петлевой теплообменник работает следующим образом. При работе по наиболее предпочтительной в теплотехническом отношении противоточно-прямоточной схеме первый теплоноситель поступает в теплообменник через входной патрубок 22 в примыкающий к нему распределительный отсек 14 камеры 6, распределяется по параллельным каналам 4 теплообменной матрицы 1 и перемещается первым ходом в части каналов 4 между крышкой 8 с уплотняющей прокладкой 10 и смежной продольной перегородкой 11. Достигнув окон 17, первый теплоноситель проходит через них, поворачивается на 180° и перемещается вторым ходом в другой части каналов 4, расположенной между смежными продольными перегородками 13, в обратном направлении, поступает в поворотную камеру 15 камеры 6, где проходит через окно 18 и, вновь изменив направление движения на обратное, идет третьим ходом по соответствующей части каналов 4 между смежными продольными перегородками 13. В конце третьего хода первый теплоноситель проходит через следующий ярус окон 17 в каналах 4 и, вновь повернувшись на 180°, перемещается четвертым ходом в части каналов 4 между крышкой 9 с уплотняющей прокладкой 11 и смежной с ними продольной перегородкой 13. В четырехходовом теплообменнике первый теплоноситель после четвертого хода поступает в сборный отсек 16 камеры 6, откуда через выходной патрубок 23 выводится из теплообменника. В процессе движения по ходам первый теплоноситель обменивается теплотой с вторым теплоносителем через стенки листа 2, изогнутого в форме петлей 3, образующих каналы 4 и 5.

Второй теплоноситель поступает в теплообменник через входной патрубок 24 в примыкающий к патрубку распределительный отсек 14 камеры 7, распределяется по параллельным каналам 5 теплообменной матрицы 1 и перемещается первым ходом в части каналов 5 между крышкой 9 с уплотняющей прокладкой 11 и смежной с ними продольной перегородкой 13 однонаправленно с перемещающимся в части каналов 4 четвертым ходом первым теплоносителем. Достигнув окон 19, второй теплоноситель проходит через окна и развернувшись на 180° перемещается в части каналов 5 между двумя смежными перегородками 13 в обратном направлении, совпадающим с направлением движения первого теплоносителя в третьем его ходе в части каналов 4. Далее второй теплоноситель поступает в поворотный отсек 15 камеры 7, проходит через окно 20 и, вновь развернувшись на 180°, перемещается в следующей части каналов 5 между смежными продольными перегородками 13, проходит через следующий ярус окон 19 в каналах 5, разворачивается и перемещается четвертым ходом в части каналов 5 между крышкой 8 с уплотняющей прокладкой 10 и смежной с ними продольной перегородкой 13, поступает в сборный отсек 16 камеры 7, откуда через выходной патрубок 25 выводится из теплообменника.

Сопрягаемые ходы первого и второго теплоносителей в каналах 4 и 5 имеют смежное пространственное расположение в теплообменной матрице 1 и параллельны между собой. Площади поперечного сечения всех ходов первого и второго теплоносителей в каналах 4 и 5 могут быть равными или различаться между сопрягаемыми ходам, что достигается соответствующим дистанционированием продольных перегородок 13 в теплообменной матрице 1 с помощью фиксаторов положения 21. Изменение площади поперечного сечения каналов в сопрягаемых ходах по пути движения теплоносителей в теплообменнике может быть важно для газовых теплоносителей, изменяющих свой удельный объем в процессе теплообмена.

Герметичность каналов 4 и 5 и исключение перетоков теплоносителей между каналами при работе теплообменника обеспечивается уплотняющими прокладками 10 и 11 из эластичного материала, расположенными между плоскостями крышек 8 и 9 и торцами теплообменной матрицы 1. Стягивание крышек 8 и 9 резьбовыми стяжками 12 дает возможность создавать необходимое для обеспечения герметичности прижатие уплотняющих прокладок 10 и 11 к торцам теплообменной матрицы 1.

Работа теплообменника по прямоточно-противоточной схеме теплопередачи осуществляется если, например, второй теплоноситель подавать в теплообменник через патрубок 25 и выпускать его из теплообменника через патрубок 24.

Предлагаемый многоходовой петлевой теплообменник имеет следующие преимущества перед аналогами:

- конструкция проста и технологична в изготовлении;

- отсутствует корпус теплообменника;

- теплообменник легко разбирается и собирается;

- обеспечивается многоходовое движение теплоносителей при любом четном числе ходов;

- возможность свободного температурного расширения и сжатия элементов теплообменника;

- высокая компактность и низкая материалоемкость.

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в рекуперативных теплообменных устройствах химической, пищевой промышленности, энергетике и других отраслях техники для нагрева и охлаждения текучих сред. В многоходовом петлевом теплообменнике, содержащем теплообменную матрицу, выполненную из листа с изгибами в форме петель, которые образуют чередующиеся каналы для первого и для второго теплоносителей, крышки, размещенные между крышками и теплообменной матрицей уплотняющие прокладки, входные и выходные патрубки для первого и второго теплоносителей, концы листа, из которого выполнена теплообменная матрица, изогнуты с образованием двух камер, каждая из которых примыкает к одной из противоположно расположенных сторон теплообменной матрицы, кромки листа герметично соединены с крайними петлями теплообменной матрицы, в каналах и камерах установлены продольные перегородки, обеспечивающие многоходовое движение первого и второго теплоносителей и разделяющие камеры на отсеки, входной и выходной патрубки для первого теплоносителя размещены на одной камере, а входной и выходной патрубки для второго теплоносителя размещены на другой камере, крышки соединены между собой резьбовыми стяжками. Кроме того, продольные перегородки установлены с использованием фиксаторов положения. На плоских частях поверхностей петлей теплообменной матрицы имеются элементы дискретной шероховатости. Технический результат - упрощение конструкции устройства при обеспечении многоходового движения теплоносителей. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Многоходовой петлевой теплообменник, содержащий теплообменную матрицу, выполненную из листа с изгибами в форме петель, которые образуют чередующиеся каналы для первого и для второго теплоносителей, крышки, размещенные между крышками и теплообменной матрицей уплотняющие прокладки, входные и выходные патрубки для первого и второго теплоносителей, отличающийся тем, что концы листа, из которого выполнена теплообменная матрица, изогнуты с образованием двух камер, каждая из которых примыкает к одной из противоположно расположенных сторон теплообменной матрицы, кромки листа герметично соединены с крайними петлями теплообменной матрицы, в каналах и камерах установлены продольные перегородки, обеспечивающие многоходовое движение первого и второго теплоносителей и разделяющие камеры на раздающие, собирающие и поворотные отсеки, входной и выходной патрубки для первого теплоносителя размещены на одной камере, а входной и выходной патрубки для второго теплоносителя размещены на другой камере, крышки соединены между собой резьбовыми стяжками.

2. Многоходовой петлевой теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что продольные перегородки установлены с использованием фиксаторов положения.

3. Многоходовой петлевой теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что на плоских частях поверхностей петель теплообменной матрицы имеются элементы дискретной шероховатости.