СПИРАЛЬНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК
SPIRAL HEAT EXCHANGER

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится в целом к спиральным теплообменникам, позволяющим передачу тепла между двумя текучими средами при разных температурах для различных назначений. Конкретно, настоящее изобретение относится к спиральному теплообменнику, в котором спиральное тело и внешний кожух не нужно сваривать вместе при сборке спирального теплообменника.
Уровень техники
Обычно спиральные теплообменники изготавливаются посредством операции сварки. Два листа свариваются вместе у соответствующего конца, при этом сварное соединение будет расположено в центральном участке листов. Два листа обматываются один вокруг другого посредством использования убираемой оправки или тому подобного для образования спирального тела листов с возможностью разграничения двух отдельных проходов или проточных каналов. К листам прикрепляются дистанционные элементы, имеющие высоту, соответствующую ширине проточных каналов.
После извлечения оправки два входных/выходных канала образуются в центре спирального тела. Два канала отделяются друг от друга центральным участком листов. Кожух приваривается к внешней периферии спирального тела. Боковые концы спирального тела подвергаются обработке, при этом спиральные проточные каналы могут быть сбоку закрыты на двух боковых концах различными способами. Обычно крышка прикрепляется к каждому из концов. Одна из крышек может включать в себя две соединительные трубки, продолжающиеся к центру и сообщающиеся с соответствующим одним из двух проточных каналов. На радиально внешних концах спиральных проточных каналов соответствующая торцевая часть приваривается к кожуху или спиральное тело образует выходной/входной элемент для соответствующего канала. В качестве альтернативы для изготовления теплообменника используется один лист.
Ранее использовались различные решения для обеспечения очистки спирального теплообменника. В GB-A-2140549 описан теплообменник, имеющий центральный переходной элемент с центральным спиральным телом. Покрывающие пластины представляют собой фланцы на обеих сторонах от центрального переходного элемента. Таким образом, проточный канал спирального теплообменника является легко доступным для очистки. В другом документе, US-A-4546826, описан обычный спиральный теплообменник, имеющий кожух, содержащий три части, среднюю секцию и две секции. Фланцы концевых секций прикрепляются к соответствующим фланцам средней секции.
В GB-A-1260327 описан теплообменник, имеющий спиральные трубчатые витые элементы, размещенные в кожухе. Кожух имеет верхнюю секцию и нижнюю секцию, которые присоединяются фланцами и болтами.
Единственная проблема с обычными спиральными теплообменниками заключается в том, что они не позволяют замену спирального тела, образованного листами, если он изношен, поскольку спиральное тело приваривается к крышке или кожуху спирального теплообменника.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является преодоление проблем, упомянутых выше для спиральных теплообменников предшествующего уровня техники. Более конкретно, задачей является спиральный теплообменник, в котором кожух гибко установлен относительно спирального тела и в котором спиральное тело может быть сменной частью, которая может быть заменена на новое спиральное тело без трудоемкой работы, в котором части спирального теплообменника могут быть изготовлены параллельно и в котором спиральное тело будет легко доступным для очистки.
Эта цель достигается посредством спирального теплообменника, включающего в себя спиральное тело, образованное, по меньшей мере, одним спиральным листом, свернутым для образования спирального тела, образующего, по меньшей мере, первый спиралеобразный проточный канал для первой среды и второй спиралеобразный проточный канал для второй среды, в котором спиральное тело окружено по существу цилиндрическим кожухом, снабженным соединительными элементами, сообщающимися с первым проточным каналом и вторым проточным каналом, в котором кожух содержит, по меньшей мере, две части кожуха и в котором спиральное тело снабжено, по меньшей мере, одним жестко прикрепленным фланцем на его внешней периферийной поверхности, где, по меньшей мере, гибко прикреплены две части кожуха.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения фланец спирального тела симметрично размещен в центре спирального тела, имеющего одинаковое расстояние до концов спирального тела, по меньшей мере, от одного фланца.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения фланец спирального тела асимметрично размещен на периферии спирального тела, имеющего разное расстояние до концов спирального тела, по меньшей мере, от одного фланца.
По меньшей мере, один фланец спирального тела делит внешнее пространство спирального теплообменника, по меньшей мере, на два пространства, при этом внешние пространства ограничиваются внешней периферией спирального тела и, по меньшей мере, двумя частями кожуха в местоположении фланца относительно концов спирального тела.
Местоположение фланца вдоль периферии спирального тела позволяет контролировать скорость сред спирального теплообменника.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения каждый кожух обеспечивается двумя соединительными элементами, сообщающимися с одним из двух проточных каналов, и каждый кожух снабжается одним соединительным телом на его периферийной поверхности и одним соединительным телом, размещенным на одной из его концевых поверхностей для сообщения с одним из двух проточных каналов.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения, по меньшей мере, две части кожуха, каждая, снабжены фланцем, размещенным у открытого конца, по меньшей мере, двух частей кожуха для жесткого прикрепления частей кожуха к фланцу спирального тела.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения спиральный теплообменник дополнительно обеспечен прокладками, гибко размещенными между концевыми участками спирального тела и внутренней поверхностью закрытых концевых участков частей кожуха. Спиральный теплообменник также снабжен дополнительным множеством прокладок, размещенных между фланцами частей кожуха и фланцем спирального тела.
Другой целью настоящего изобретения является создание спирального теплообменника, который легко может быть использован при необходимости повышенной производительности или увеличенной тепловой длины.
Эта цель достигается посредством системы спирального теплообменника, размещенного последовательно или параллельно, в которой спиральный теплообменник включает в себя спиральное тело, образованное, по меньшей мере, одним спиральным листом, свернутым для образования спирального тела, образующего, по меньшей мере, первый спиралеобразный проточный канал для первой среды и второй спиралеобразный проточный канал для второй среды, в котором спиральное тело окружено по существу цилиндрическим кожухом, снабженным соединительными элементами, сообщающимися с первым проточным каналом и вторым проточным каналом, в котором кожух содержит, по меньшей мере, две части кожуха и в котором спиральное тело снабжено, по меньшей мере, одним жестко прикрепленным фланцем на его внешней периферийной поверхности, где, по меньшей мере, две части кожуха гибко прикреплены.
Другие аспекты настоящего изобретения являются очевидными из зависимых пунктов формулы изобретения и данного описания.
Краткое описание чертежей
Другие задачи, признаки и преимущества будут следовать из следующего подробного описания нескольких вариантов осуществления настоящего изобретения посредством ссылки на чертежи, на которых:
фиг.1 представляет собой вид с пространственным разделением деталей спирального теплообменника согласно настоящему изобретению;
фиг.2 представляет собой вид в разрезе спирального теплообменника согласно настоящему изобретению;
фиг.3a-3b представляют собой вид в разрезе спиральных теплообменников согласно настоящему изобретению, соединенных параллельно;
фиг.4a-4b представляют собой вид в разрезе спиральных теплообменников согласно настоящему изобретению, соединенных последовательно;
фиг.5a-5с представляют собой виды в разрезе спирального теплообменника согласно настоящему изобретению в альтернативных вариантах осуществления.
Подробное описание вариантов осуществления
Спиральный теплообменник включает в себя, по меньшей мере, два спиральных листа, проходящих вдоль соответствующей спиралевидной траектории вдоль общей центральной оси и образующий, по меньшей мере, два спиралевидных проточных канала, которые по существу параллельны друг другу, в котором каждый проточный канал включает в себя радиально внешнее отверстие, которое обеспечивает сообщение между соответствующим проточным каналом и соответствующей выходной/входной трубкой и которое размещено на радиально внешней части соответствующего проточного канала относительно центральной оси, и радиально внутреннее отверстие, которое обеспечивает сообщение между соответствующим проточным каналом и соответствующей входной/выходной камерой так, что каждый проточный канал позволяет текучей среде теплообменника протекать в по существу тангенциальном направлении по отношению к центральной оси, в котором центральная ось продолжается через входную/выходную камеры у радиально внутренних отверстий. К листам прикреплены дистанционные элементы, имеющие высоту, соответствующую ширине проточных каналов.
На фиг.1 показан вид с пространственным разделением деталей спирального теплообменника 1 согласно настоящему изобретению. Спиральный теплообменник 1 включает в себя спиральное тело 2, образованное обычным образом посредством навивки двух листов металла вокруг убираемой оправки. Листы снабжены дистанционным телом (не показано), прикрепленным к листам или выполненным на поверхности листов. Дистанционные элементы служат для образования проточных каналов между листами и имеют высоту, соответствующую ширине проточных каналов. На чертеже спиральное тело 2 показано только схематично с определенным числом витков, но очевидно, что оно может включать в себя дополнительные витки и что витки, образованные от центра спирального тела 2, в основном расположены к периферии спирального тела 2. Фланец 3 прикреплен к центральному или среднему участку внешней периферии спирального тела 2. Спиральное тело 2 окружено кожухом 4, который содержит две отдельные части 4а и 4b кожуха. Каждая из частей 4а и 4b кожуха окружает половину спирального тела 2. Фланец 3 обычно прикрепляется к спиральному телу 2 посредством сварки, а также другими возможными способами.
Часть 4a кожуха выполнена в виде цилиндра, имеющего открытый конец 5а, при этом открытый конец 5а снабжен фланцем 6а, соответствующим фланцу 3 спирального тела 2 и обеспечивающим прикрепление части 4a кожуха к фланцу 3. Другой концевой участок 7а части 4a кожуха является закрытым, при этом содержит первый соединительный элемент 8а, прикрепленный по центру к концевым участкам 7а части 4a кожуха. К кожуху части 4a кожуха прикрепляется второй соединительный элемент 9а. Часть 4b кожуха по существу идентична части 4a кожуха, при этом имеет открытый конец с фланцем 6b, закрытый концевой участок 7b с первым соединительным телом 8b и вторым соединительным телом 9b, прикрепленным к кожуху части 4b кожуха. Соединительные элементы 8а-b и 9a-9b обычно привариваются к частям кожуха и все снабжены фланцем для подсоединения спирального теплообменника 1 к трубопроводному устройству системы, частью которой является спиральный теплообменник 1.
Спиральный теплообменник 1 дополнительно снабжен прокладками 10а, 10b, причем каждая прокладка размещается между концевыми участками 11а, 11b спирального тела 2 и внутренней поверхностью закрытых концевых участков 7а, 7b части 4a, 4b кожуха соответственно для изолирования проточных каналов друг от друга. Прокладка 10а, 10b может быть выполнена в виде спирали, подобно спирали спирального тела 2, в таком случае прижимается к каждому витку спирального тела 2. В качестве альтернативы прокладки 10а, 10b зажимаются между спиральным телом 2 и внутренней поверхностью закрытых концевых участков 7а, 7b части 4a и 4b кожуха. Прокладки также могут быть сконфигурированы другими способами при условии, что достигается изолирующий эффект. Другие прокладки (не показаны) предусматриваются между фланцами 6а, 6b части 4a, 4b кожуха и фланцем 3 спирального тела 2.
Части 4a, 4b кожуха обычно прикрепляются к спиральному телу 2, т.е. фланцы 6а, 6b частей 4a, 4b кожуха прикрепляются к фланцу 3 спирального тела 2 посредством обычного соединения, такого как болтовое соединение, хомутовое соединение или тому подобное. Также можно использовать отдельные соединения для фланцев 6а, 6b частей кожуха для прикрепления к фланцу 3 спирального тела 2 для того, чтобы части 4a, 4b кожуха могли быть отдельно смонтированы и/или демонтированы со спирального тела 2.
На фиг.2 изображен вид в разрезе спирального теплообменника 1 согласно настоящему изобретению.
Хотя не упомянуто, для специалиста в данной области техники очевидно, что внешняя поверхность спирального тела обычно снабжается распорками или дистанционными элементами, которые опираются на внутреннюю поверхность кожуха для противодействия давлению рабочих текучих сред спирального теплообменника.
Функционирование спирального теплообменника 1 состоит в следующем: первая среда входит в спиральный теплообменник 1 через первый соединительный элемент 8а, выполненный как входное отверстие и где первый соединительный элемент 8а подсоединяется к трубопроводному устройству. Первый соединительный элемент 8а сообщается с первым проточным каналом спирального тела 2, и первая среда перемещается через первый проточный канал ко второму соединительному элементу 9а, выполненному как выходное отверстие, из которого первая среда выходит из спирального теплообменника 1. Второй соединительный элемент 9а подсоединяется к трубопроводному устройству для дальнейшего перемещению первой среды.
Вторая среда входит в спиральный теплообменник 1 через второй соединительный элемент 9b, выполненный как входное отверстие, при этом второй соединительный элемент 9b подсоединяется к трубопроводному устройству. Второй соединительный элемент 9b сообщается со вторым проточным каналом спирального тела 2, и первая среда перемещается через второй проточный канал к первому соединительному элементу 8b, выполненному как выходное отверстие, из которого вторая среда выходит из спирального теплообменника 1. Первый соединительный элемент 8b подсоединяется к трубопроводному устройству для дальнейшего перемещения второй среды.
Внутри спирального тела 2 теплообмен будет происходить между первой и второй средой так, что одна среда нагревается, а другая среда охлаждается. В зависимости от конкретного использования спирального теплообменника 1 выбор двух сред будет различен. Выше было описано, как две среды циркулируют в противоположных направлениях через спиральный теплообменник, но очевидно, что они могут также циркулировать в параллельных направлениях.
Для увеличения производительности спирального теплообменника согласно настоящему изобретению могут быть соединены параллельно несколько спиральных теплообменников, см. фиг.3а и 3b. На фиг.3а два спиральных теплообменника 1а, 1b соединены параллельно с промежуточной частью 20, размещенной между двумя спиральными теплообменниками 1а, 1b. Промежуточная часть 20 служит в качестве выходного соединения для одной из сред для обоих спиральных теплообменников 1а, 1b. На фиг.3b три спиральных теплообменника 1a, 1b, 1c соединены параллельно с первой промежуточной частью 20, размещенной между двумя спиральными теплообменниками 1b, 1c и второй промежуточной частью 30, размещенной между двумя спиральными теплообменниками 1а, 1b. Первая промежуточная часть 20 служит в качестве выходного соединения для первой из двух сред для двух спиральных теплообменников 1b, 1с, и вторая промежуточная часть 30 служит в качестве входного соединения для второй из двух сред для двух спиральных теплообменников 1а, 1b.
Для увеличения тепловой длины спирального теплообменника согласно настоящему изобретению несколько спиральных теплообменников могут быть соединены последовательно, см. фиг.4а и 4b. Увеличенная тепловая длина может быть желательна для некоторых применений спирального теплообменника, когда передача тепла между средами требует более длительного времени. На фиг.4а два спиральных теплообменника 1а, 1b соединены последовательно. Спиральные теплообменники 1а, 1b размещены так, что для первой среды выходное соединение первого спирального теплообменника 1а непосредственно соединяется со входным соединением второго спирального теплообменника 1b, в то время как для второй среды выходное соединение первого спирального теплообменника подсоединяется через посредство трубки 50 ко входному соединению второго спирального теплообменника 1b для второй среды.
На фиг.4b три спиральных теплообменника 1а, 1b, 1c соединены последовательно. Подобно случаю, когда два спиральных теплообменника соединены последовательно, спиральные теплообменники 1а, 1b расположены так, что для первой среды выходное соединение первого спирального теплообменника 1а непосредственно соединяется с входным соединением второго спирального теплообменника 1b, в то время как для второй среды выходное соединение первого спирального теплообменника 1а подсоединяется через посредство трубки 50 к входному соединению второго спирального теплообменника 1b для второй среды. Далее, третий спиральный теплообменник 1с расположен так, что выходное присоединение второго спирального теплообменника 1b для первой среды соединяется через посредство трубки 60 с входным соединением третьего спирального теплообменника 1с. Выходное соединение второго спирального теплообменника 1b для второй среды непосредственно соединяется с входным соединением третьего спирального теплообменника 1с.
Несмотря на то что было показано только три спиральных теплообменника 1, соединенных параллельно или последовательно, очевидно, что дополнительные спиральные теплообменники могут быть подсоединены, если этого требует конкретное применение спирального теплообменника, и что настоящее изобретение не ограничивается показанными вариантами осуществления.
На фиг.5a показана нормальная установка спирального теплообменника 1 согласно настоящему изобретению. На фиг.5b показан другой вариант осуществления настоящего изобретения, в котором фланец 3 асимметрично прикреплен или установлен в спиральном теле 2 спирального теплообменника 1, в котором расстояние от фланца 3 до двух концов спирального тела 2 не одинаково. На фиг.5с показана альтернативная конфигурация этого варианта осуществления, в которой промежуточный кожух 4с предусмотрен в спиральном теплообменнике 1 между двумя фланцами 3а, 3b спирального тела 2. Части 4а, 4b кожуха прикрепляются к спиральному телу 2, подобно тому, как было описано выше. Хотя на фиг.5с показан случай, в котором части 4а, 4b кожуха одинаковы по длине, очевидно, что они могут быть сконфигурированы как части 4а, 4b кожуха, показанные на фиг.5b, таким образом, что расстояние от фланца 3а, 3b до двух концов спирального тела 2 не одинаково.
Посредством имеющегося фланца 3, перемещенного от центра спирального тела 2, как показано на фиг.5b, или посредством имеющихся двух фланцев 3а, 3b с промежуточной оболочкой 4с, как показано на фиг.5с, объем "последнего витка", т.е. пространства между частями 4а, 4b кожуха и периферией спирального тела 2, может быть изменен, таким образом скорость среды в "последнем витке" может быть регулируемой. Это является предпочтительным, когда имеется среда с одной критической скоростью или когда имеется промежуточный кожух 4с для двух текучих сред с критической скоростью (см. фиг.5с).
Поскольку фланец делит внешнюю поверхность или периферию спирального тела на две отдельные камеры, распределение среды будет улучшено, т.к. среда будет вынуждена распределяться только на половине длины спирального тела.
Поскольку кожух спирального теплообменника согласно данному изобретению предусматривается в виде двух отдельных и независимых частей кожуха, возможно использование различных материалов для двух частей кожуха.
Преимущество за счет использования соединительных элементов, прикрепленных только к кожуху и не контактирующих со спиральным телом, которое в ином случае представляет собой обычную конструкцию спиральных теплообменников, состоит в том, что термическая усталость или напряжение значительно снижается.
Спиральный теплообменник согласно настоящему изобретению обеспечивает преимущества, помимо всего прочего, в том, что является более простым для очистки, спиральное тело может быть заменено, легкая замена спирального тела позволяет почти непрерывное производство, и изготовление спирального теплообменника оказывается более быстрым и более дешевым, поскольку кожух и спиральное тело могут быть изготовлены параллельно.
В вышеприведенном описании термин "соединительный элемент" использован как элемент, присоединенный к спиральному теплообменнику и, более конкретно, к проточным каналам спирального теплообменника, но следует понимать, что соединительный элемент представляет собой соединительную трубку или тому подобное, которое обычно приваривается к спиральному теплообменнику и может включать в себя средство для подсоединения других трубопроводных устройств к соединительному элементу.
Настоящее изобретение не ограничивается вариантами, описанными выше и показанными на чертежах, но может быть дополнено и модифицировано каким-либо образом в объеме данного изобретения, определенного приложенной формулой изобретения.