МОДУЛЬНЫЙ ЗМЕЕВИКОВЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК

Полезная модель представляет собой модуль, составленный из теплообменных аппаратов, который может быть использован в ЖКХ, энергетике и смежных с ними отраслях промышленности.
Известен модуль в виде каскада теплообменных аппаратов, расположенных друг за другом, в котором реализуется прямоточное движение в одном аппарате и противоточное движение теплоносителей по всему каскаду аппаратов (см. монографию «Змеевиковые теплообменники. Моделирование, расчет» авторов А.Г. Багоутдиновой, Я.Д. Золотоносова. Казань: КГАСУ, 2016. 245 с.).
Недостаток такой схемы компоновки - высокая металлостойкость установки, сложность обслуживания и ремонт.
Известен змеевиковый теплообменник типа «труба в трубе» в форме шара (см. пат. на пол. модель №161177 от 10.04.16. Бюл. 10).
Недостаток этой конструкции теплообменника - низкая поверхность теплообмена.
Задачей полезной модели является снижение металлоемкости аппарата, повышение эффективности процесса теплообмена в нем и создание с использованием модульного принципа конструирования широкой номенклатуры и типаразмеров теплообменного оборудования.
Отличительной особенностью предлагаемой конструкции теплообменника является его компоновка из отдельных аппаратов с образованием пространственного модуля, внешний контур которого имеет «грибовидную» конфигурацию и включает внутренний теплообменник, на котором смонтирован внешний полусферический теплообменный аппарат.
На фиг. 1 представлен общий вид модульного змеевикового теплообменника, на фиг. 2 сечение А-А трубного пучка аппарата, на фиг. 3 вариант фланцевых соединений между трубным и межтрубным пространством теплообменников.
Модульный змеевиковый теплообменник состоит из внутреннего теплообменника 1, выполненного в виде прямого усеченного конуса и полусферы 2. Внутри внешней трубы 3 теплообменников 1, 2 смонтированы пучки труб 4, образующие межтрубное пространство 5.
Проточная часть трубного пространства теплообменников 1, 2 соединена с помощью фланца 6, межтрубного - калачом 7, что позволяет производить разбор модуля на составляющие его теплообменники, чистку трубного и межтрубного пространств и ремонт каждого аппарата в отдельности.
Модульный змеевиковый теплообменник работает следующим образом.
После подачи холодного теплоносителя в трубное пространство 4 теплообменника 1, в противоток в межтрубное пространство 5 теплообменника 2 подается горячий теплоноситель. В процессе их противоточного движения тепло от горячего теплоносителя через стенки труб 3 передается холодному теплоносителю и нагревает последний.
Процесс теплообмена в винтовых змеевиках согласно эксперимента в 1,5 раза выше чем в прямых трубах. Причем как показывают исследований интенсивность теплоотдачи растет с уменьшением относительно радиуса кривизны R/d (R - радиус змеевика, d - диаметр трубы трубного пучка), то есть развивать габаритные размеры аппарата в радиальном направлении считается нецелесообразным. Устанавливать же теплообменники друг за другом нерационально, поскольку увеличивается металлоемкость установки из-за необходимости монтажа трубопроводов между аппаратами. При этом растут габариты установки и капитальные затраты на ее монтаж.
В связи с этим - наиболее рациональным способом компоновки является вариант сборки по предлагаемой полезной модели, когда обеспечиваются минимальные размеры и высокая эффективность теплообмена.
Рассматриваемый модуль формируется из теплообменников в форме прямого усеченного конуса и полусферы, что внешне создает очертания «грибовидной» формы из изогнутых труб-змеевиков.
Установлено, что движение жидкости в проточной части таких труб вызывает появление центробежной силы, которая приводит к радиальному подъему давления, направленному к наружной стороне закругления. Разность давлений между внутренней и наружной сторонами закругления не уравновешивается центробежной силой, что приводит к возникновению поперечного циркуляционного течения жидкости в направлении от наружной к внутренней стороне трубы-змеевика.
Благодаря поперечной циркуляции происходит обмен энергиями между холодными и горячими слоями жидкости в трубах трубного пучка. При заданной компоновке и оптимальной конфигурации предлагаемого модульного змеевикового теплообменника это обеспечивает высокую эффективность теплообмена в аппарате.