ТЕПЛООБМЕННИК ПНЕВМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ
HEAT EXCHANGER FOR PNEUMATIC SYSTEMS

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к устройствам для проведения теплообменных процессов связанных с пневматическими установками, которые могут быть использованы в промышленности, на транспорте, и других отраслях.
В современной промышленности все чаще находят применение пневматические системы, имеющие в качестве рабочей среды - воздух или газ, которые отличаются своей экологичностью и достаточной эффективностью.
Целью предложенного изобретения является создание устройства, обеспечивающего высокую энергоэффективность и скорость прогрева воздуха в теплообменнике для эффективной работы пневматических систем.
Широко известны теплообменники, содержащие корпус с входом и выходом и размещенный внутри теплообменник.
Недостатком данного типа накопителей является их низкая энергоэффективность, длительное время и неравномерность нагрева воздуха внутри системы.
Из RU 2348882 U1, 10.03.2009 известен теплообменник радиально-спирального типа, содержащий вертикальный цилиндрический корпус с патрубками подвода и отвода теплоносителей, внутри которого установлены один над другим два или более блоков теплообменных элементов с образованием периферийного кольцеобразного и центрального цилиндрического распределительных коллекторов, каждый блок сформирован из вертикально установленных, примыкающих друг к другу теплообменных элементов, сваренных между собой вертикальными швами и образующих кольцевой ряд вокруг вертикальной оси корпуса, каждый теплообменный элемент выполнен полым и представляет собой две сваренные по двум горизонтальным сторонам стенки с дистанционирующими выступами, имеющие в поперечном сечении форму спирали Архимеда и образующие во внутренней полости радиально-спиральный щелевой канал для одного из теплоносителей, а теплообменные элементы прилегают друг к другу, образуя наружные вертикальные щелевые каналы для перемещения в аксиальном направлении второго теплоносителя, причем внутренние полости спиралевидных теплообменных элементов всех блоков сообщаются с периферийным и центральным распределительными коллекторами, а между смежными блоками теплообменных элементов поочередно в периферийном и центральном распределительных коллекторах установлены горизонтальные перегородки, которые разделяют каждый из распределительных коллекторов на отдельные изолированные полости и, препятствуя движению потока теплоносителя вдоль распределительного коллектора, направляют его после истечения из внутренних полостей теплообменных элементов одного блока во внутренние полости теплообменных элементов последующего блока.
Недостатком данного теплообменника является его низкая энергоэффективность, длительное время и неравномерность нагрева воздуха внутри теплообменного элемента, поскольку нагрев осуществляется сверху вниз (а по законам физики тепло стремится вверх), при этом теплообменные элементы имеют сложную конструкцию и не обеспечивают равномерного и должного прогрева пластин. Кроме того, система нуждается во внешнем источнике нагрева и имеет сложную конструкцию.
В основу данного изобретения поставлена задача разработать конструкцию теплообменника пневматических систем, устраняющую указанные недостатки.
Техническим результатом является повышение энергоэффективности устройства, снижение энергозатрат, повышение скорости прогрева воздуха в системе, при простоте конструкции и компактности.
Данный технический результат достигается тем, что теплообменник пневматических систем включает полый корпус цилиндрической формы, содержащий зону горения и рабочую зону, при этом в рабочей зоне содержится входное отверстие для установленного внутри нее змеевика-теплообменника, при этом
змеевик-теплообменник выполнен из полой трубы из множества рядов П-образных модулей с входным и выходным отверстием, расположенных друг над другом по высоте рабочей зоны полого корпуса, при этом указанные ряды П-образных модулей связаны между собой соединительными элементами с образованием единой трубопроводной системы, причем каждый из рядов П-образных модулей повернут относительно следующего над ним ряда в одном направлении вращения, а
зона горения включает, по меньшей мере, одну форсунку подачи топлива, по меньшей мере, одну форсунку подачи воздуха, а также элемент поджига.
Элемент поджига выполнен в виде электрода.
Полый корпус в своей нижней части содержит патрубок поддува воздуха.
Полый корпус включает опору.
Каждый ряд П-образных модулей включает дополнительные П-образные модули, связанные в единый общий модуль.
На внешней поверхности рядов П-образных модулей змеевика-теплообменника закреплены теплоаккумулирующие ребра.
Теплоаккумулирующие ребра выполнены игольчатой формы из множества выступающих игл.
Змеевик-теплообменник установлен на опорной быстросъемной конструкции, включающей центральную ось и верхнюю крышку-держатель.
Далее, предложенное изобретение будет подробно рассмотрено с учетом иллюстраций, где
на фиг. 1 - представлен теплообменник пневматических систем, вид сбоку;
на фиг. 2 - представлен теплообменник пневматических систем, вид сбоку в разрезе;
на фиг. 3 - представлен вид А, увеличенный фрагмент зоны горения;
на фиг. 4 - представлен змеевик-теплообменник с примером сечений по уровням П-образных модулей;
на фиг. 5 - представлен вид В, увеличенный фрагмент сечения по уровню П-образного модуля;
на фиг. 6-29 - представлены сечения змеевика-теплообменника по уровням;
на фиг. 30 - представлен общий вид теплообменника пневматических систем с дополнительными П-образными модулями, в изометрии;
где позиции:
1 - полый корпус;
2 - зона горения;
3 - рабочая зона;
4 - входное отверстие;
5 - змеевик-теплообменник;
6 - П-образные модули;
7 - соединительные элементы;
8 - форсунка подачи топлива;
9 - форсунка подачи воздуха;
10 - элемент поджига;
11 - патрубок поддува воздуха;
12 - опора;
13 - центральная ось;
14 - верхняя крышка-держатель.
Теплообменник пневматических систем включает полый корпус 1 цилиндрической формы, включающий зону горения 2 и рабочую зону 3, при этом в рабочей зоне 3 содержится входное 4 отверстие для установленного внутри нее змеевика-теплообменника 5.
Материал изготовления полого корпуса 1 - сталь, предпочтительно нержавеющая жаропрочная сталь, для повышения долговечности устройства. С наружной стороны, а также со стороны дна и верхней стороны полый корпус 1 предпочтительно содержит теплоизолирующий слой, например, приклеенный слой стойкого к высоким температурам теплоизолятора или слой стойкого к высоким температурам напыленного утеплителя, для повышения энергоэффективности (снижение теплопотерь) устройства.
Полый корпус 1 содержит входное 4 отверстие для змеевика-теплообменника 5, которое стыкуется с соответствующим концом устанавливаемого внутрь змеевика-теплообменника 5.
Полый корпус 1 в своей нижней части предпочтительно содержит патрубок поддува воздуха 11 с регулировочной заслонкой, обеспечивающей регулировку степени подачи воздуха. Предпочтительно также устанавливать полый корпус 1 на соответствующую опору 12, выполненную, например, в виде трех ножек, или опорного каркаса или иным образом.
Змеевик-теплообменник 5, в своей основе, выполнен из полой трубы, изготовленной, например, из нержавеющей жаропрочной стали или иных подходящих для теплопередачи материалов. Змеевик-теплообменник 5 служит для пропускания и нагрева через (внутри) него рабочей среды. Рабочая среда внутри змеевика-теплообменника 5 подогревается источником тепла, расположенным в зоне горения 2, выполненным, например, как газовый котел, жидкостная горелка и пр.
Змеевик-теплообменник 5 состоит из множества рядов П-образных модулей 6 со скруглениями в вершинах П-образного профиля для лучшего пневмодинамического потока теплоносителя. П-образные модули 6 имеют входные и выходные отверстия. Данные отверстия, как вариант, могут быть соединены с дополнительными П-образными модулями 6 в одном ряду, образуя единый более широкий общий модуль, для размещения внутри более широкого полого корпуса 1. Входные и выходные отверстия П-образного модуля 6 в каждом ряду связаны между собой соединительными элементами 7 с образованием единой трубопроводной системы. Соединительные элементы 7 связывают расположенные друг над другом П-образные модули 6 в ряды по высоте всей рабочей зоны 3 полого корпуса 1, причем каждый из рядов П-образных модулей 6 повернут относительно следующего над ним ряда в одном направлении вращения. Угол поворота подбирается опытным путем и предпочтительно составляет около 15°, однако может быть и больше и меньше. Угол поворота подбирался с тем расчетом, чтобы каждый следующий ряд имел воздушное пространство над вышерасположенным, обеспечивая тем самым свободный (сквозной) проход вверх разогретого воздуха, прогревая, тем самым сразу множество рядов змеевика-теплообменника 5, исключая застой холодного воздуха в необогреваемых зонах.
Змеевик-теплообменник 5 предпочтительно установлен на опорной быстросъемной конструкции, включающей центральную ось 13 и верхнюю крышку-держатель 14. Верхняя крышка-держатель 14 устанавливается на верхний торец полого корпуса 1, например, посредством выступающих элементов. Верхняя крышка-держатель 14 может дополнительно включать ребра жесткости. Также предпочтительно центральную ось 13 оснастить крюком или рым-болтом, для вытаскивания вверх змеевика-теплообменника 5, например лебедкой или иным подъемным приспособлением.
Зона горения 2 включает, по меньшей мере, одну форсунку 8 подачи топлива, например газа, по меньшей мере, одну форсунку 9 подачи воздуха, а также элемент поджига 10. Количество форсунок подачи топлива 8 и подачи воздуха 9 может быть различным, что связано с типом топлива, размером зоны горения 2, необходимости быстрого прогрева и прочих факторах. Элемент поджига 10 преимущественно выполнен в виде электрода.
Выполнение змеевика-теплообменника 5 по всей высоте рабочей зоны 3 (за исключением технологических зазоров сверху/снизу) обеспечивает большую площадь нагрева, тем самым повышая энергоэффективность устройства, снижая энергозатраты, повышая скорость прогрева рабочей среды. Выполнение каждого ряда в виде П-образного модуля 6 (полузмейкой) сводит к минимуму застой воздуха вокруг змеевика-теплообменника 5, повышает площадь теплообмена, что также повышает энергоэффективность устройства, снижает энергозатраты, повышает скорость прогрева рабочей среды для повышения давления внутри системы. Поворот каждого из рядов П-образных модулей 6 относительно следующего над ним ряда в одном направлении вращения также исключает застой воздуха, обеспечивая циркуляцию нагретого воздуха между рядами, что обеспечивает хорошую общую циркуляцию разогретого воздуха внутри полого корпуса 1, что также повышает энергоэффективность устройства, снижает энергозатраты, повышает скорость прогрева рабочей среды.
На внешней поверхности рядов П-образных модулей 6 змеевика-теплообменника 5 предпочтительно закреплять теплорассеивающие ребра (на чертеже не обозначены). Ребра крепятся путем припаивания, приклеивания и любым другим способом. Теплорассеивающие ребра также можно выполнить игольчатой формы из множества выступающих игл, установленных по поверхности змеевика-теплообменника 5. Данные теплорассеивающие ребра увеличат площадь контакта разогретого воздуха с змеевиком-теплообменником 5 (повышается теплопередача), тем самым также повышается энергоэффективность устройства, снижаются энергозатраты, повышается скорость прогрева рабочей среды.
Пример 1
Теплообменник пневматических систем включает,
- полый корпус 1 цилиндрической формы, включающий зону горения 2 и рабочую зону 3,
- змеевик-теплообменник 5 установлен на опорной быстросъемной конструкции, включающей центральную ось 13 и верхнюю крышку-держатель 14,
- змеевик-теплообменник 5 выполнен из алюминиевой полой трубы из множества рядов П-образных модулей 6 с входным и выходным отверстием, расположенных друг над другом по высоте рабочей зоны 3 полого корпуса 1, при этом указанные ряды П-образных модулей 6 связаны между собой соединительными элементами 7 с образованием единой трубопроводной системы, причем каждый из рядов П-образных модулей 6 повернут относительно следующего над ним ряда на угол около 15° в одном направлении вращения,
- зона горения 2 включает две форсунки 8 подачи топлива и одну форсунку 9 подачи воздуха, а также элемент поджига 10.
Пример 2
Теплообменник пневматических систем включает,
- полый корпус 1 цилиндрической формы, включающий зону горения 2 и рабочую зону 3,
- полый корпус 1 включает опору 12, а в своей нижней части содержит патрубок поддува воздуха 11,
- змеевик-теплообменник 5 выполнен из полой трубы (нержавеющая жаропрочная сталь) из множества рядов П-образных модулей 6 с входным и выходным отверстием, расположенных друг над другом по высоте рабочей зоны 3 полого корпуса 1, при этом указанные ряды П-образных модулей 6 связаны между собой соединительными элементами 7 с образованием единой трубопроводной системы, причем каждый из рядов П-образных модулей 6 повернут относительно следующего над ним ряда на угол около 22° в одном направлении вращения,
- зона горения 2 включает четыре форсунки 8 подачи топлива и две форсунки 9 подачи воздуха, а также элемент поджига 10 в виде электрода.
- на внешней поверхности рядов П-образных модулей змеевика-теплообменника 5 закреплены теплоаккумулирующие ребра игольчатой формы.
Предложенное решение обеспечивает повышение энергоэффективности устройства, снижение энергозатрат, повышение скорости прогрева воздуха в системе, при простоте конструкции и компактности.