Спиральный теплообменник
SPIRAL HEAT EXCHANGER

Изобретение относится к рекуперативным теплообменным устройствам для текучих сред и может быть использовано в химической и пищевой промышленности, нефтегазопереработке, энергетике и других отраслях техники для нагрева и охлаждения газов и жидкостей.
Известные теплообменные аппараты с поверхностью теплопередачи изготовленной из листового материала [1] имеют низкую удельную металлоемкость и высокий коэффициент унификации по отношению к широко используемым кожухотрубчатым теплообменникам. Это и ряд других преимуществ позволяют отнести теплообменники с листовой поверхностью теплопередачи к разряду эффективных и перспективных устройств.
Известны пластинчатые теплообменники с теплопередающей поверхностью из тонких теплопроводящих листов [2]. Параллельно расположенные теплопроводящие листы в пластинчатых теплообменниках образуют щелевые каналы для прохода горячего и холодного теплоносителей. Малые поперечные размеры щелевых каналов способствуют повышенной интенсивности теплообмена теплоносителей, что в совокупности с малой толщиной теплопроводящих листов обеспечивает повышенную компактность и малую металлоемкость известных пластинчатых теплообменников. Недостатком таких теплообменников является их высокое гидравлическое сопротивление, необходимость использования специального технологического оборудования при изготовлении.
Известен спиральный теплообменник с теплопередающей поверхностью в виде двухзаходной цилиндрической спирали внутри корпуса, на котором установлены подводящие и отводящие патрубки, полости которых связаны с соответствующими проточными каналами для теплоносителей [3]. Известный спиральный теплообменник имеет повышенную интенсивность теплообмена закрученных потоков теплоносителей. Недостатком его является высокое гидравлическое сопротивление движению теплоносителей, сложность изготовления двухзаходной цилиндрической спирали из листового материала и трудность обеспечения герметичного соединения цилиндрической спирали с корпусом для исключения перетоков между теплоносителями.
Известен спиральный теплообменник, содержащий ленточную спиральную навивку в виде спирали Архимеда, витки которой образуют общие стенки чередующихся между собой каналов для прохода соответственно горячего и холодного теплоносителей, вставки в каналах на торцовых сторонах спиральной навивки, входные и выходные патрубки для теплоносителей, центральное тело - керн, герметизирующие прокладки [4] - прототип. Достоинствами известного спирального теплообменника является его сравнительно низкая удельная материалоемкость и малая загрязняемость отложениями на стенках поверхности теплопередачи. Недостатком является сложность изготовления. В значительной степени это обусловлено тем, что для образования спиральных каналов нужно сворачивать в рулон одновременно два листа, обеспечивая постоянный зазор между витками навивки. Внутренние концы сворачиваемых двух листов необходимо соединить перегородкой, разграничивающей полости горячего и холодного теплоносителей. Обе эти технологические операции трудно осуществить. К недостаткам относится и то, что для прохода каждого теплоносителя спиральная навивка содержит только один канал. Данное обстоятельство служит ограничением расходов теплоносителей и единичной тепловой мощности спирального теплообменника.
Техническая проблема, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в упрощении конструкции и в обеспечении возможности увеличения единичной тепловой мощности устройства.
Поставленная проблема решается тем, что спиральный теплообменник, содержащий ленточную спиральную навивку в виде спирали Архимеда, витки которой образуют общие стенки чередующихся между собой каналов для прохода соответственно горячего и холодного теплоносителей, вставки в каналах на торцовых сторонах спиральной навивки, входные и выходные патрубки для теплоносителей, центральное тело - керн, герметизирующие прокладки, имеет спиральную навивку в виде спирали Архимеда, выполненную путем сворачивания вокруг оси сгиба одной ленты, в каналах между витками спиральной навивки в направлении оси сгиба ленты размещены полосовые герметизирующие проставки, вставки в каналах на торцовых сторонах спиральной навивки выполнены прерывистыми из элементов длиной несколько большей или равной длине оборота соответствующих витков спиральной навивки и с расстоянием между смежными элементами несколько меньшим или равным длине оборота соответствующих витков спиральной навивки, входные и выходные патрубки для теплоносителей размещены попарно на торцовых сторонах спиральной навивки; полосовые герметизирующие проставки в каналах между витками спиральной навивки прошиты стяжными шпильками; концы элементов вставок в каналах на торцовых сторонах спиральной навивки прошиты стяжными спицами, на торцовых сторонах центрального тела -керна имеются резьбовые хвостовики.
В отличие от известного устройства [4], исполнение спиральной навивки в виде спирали Архимеда путем сворачивания из одной ленты, размещение в каналах между витками спиральной навивки в направлении оси сгиба ленты полосовых герметизирующих поставок, выполнение вставок в каналах на торцовых сторонах спиральной навивки прерывистыми, состоящими из элементов длиной несколько большей или равной длине оборота соответствующих витков спиральной навивки и с расстоянием между смежными элементами несколько меньшим или равным длине оборота соответствующих витков спиральной навивки, размещение входных и выходных патрубков попарно на торцовых сторонах спиральной навивки, приводит к упрощению конструкции и повышению ее технологичности при изготовлении, так как сворачивать в рулон одну ленту значительно проще, чем одновременно две ленты, обеспечивая при этом постоянный зазор между витками. Каждый из теплоносителей протекает через спиральную навивку параллельными потоками по многим каналам между витками навивки, что дает возможность за счет развития суммарной площади поперечного сечения каналов, например, путем увеличения их количества при фиксированном расстоянии между витками спиральной навивки, обеспечивать высокие расходы теплоносителей и соответственно увеличивать единичную тепловую мощность устройства.
Прошивка стяжными шпильками герметизирующих проставок в каналах между витками спиральной навивки обеспечивает требуемую герметичность каналов для горячего и для холодного теплоносителей и исключает взаимные перетоки теплоносителей при разных их давлениях.
Прошивка стяжными спицами концов элементов вставок в каналах на торцовых сторонах спиральной навивки обеспечивает фиксацию и закрепление элементов вставок по месту расположения.
Наличие стяжных шпилек и стяжных спиц позволяет обеспечить постоянство зазора (ширины каналов) между витками спиральной навивки, повышает жесткость спирального теплообменника и дает возможность отказаться от использования сложных в изготовлении дистанционирующих штифтов и других дистанционирующих элементов в каналах между витками спиральной навивки, применяющихся в известных аналогичных устройствах.
Резьбовые хвостовики на торцовых сторонах центрального тела - керна выполняют функцию дополнительного крепежного средства для входных и выходных патрубков, размещенных попарно на торцовых сторонах спиральной навивки. Резьбовое крепление входных и выходных патрубков позволяет достаточно просто производить демонтаж патрубков и выполнять очистку от возможных загрязнений поверхности стенок каналов спиральной навивки.
Спиральный теплообменник может работать как по схеме противотока, так и по схеме прямотока движения теплоносителей.
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 имеют сложную конструкцию и небольшие единичные тепловые мощности. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию изобретения «существенные отличия».
На фиг. 1 показан разрез спирального теплообменника; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - вид снизу на фиг. 1.
Спиральный теплообменник содержит спиральную навивку 1, выполненную из одного листа в виде спирали Архимеда. В каналах 2 между витками 3 спиральной навивки 1 в направлении ее оси размещены полосовые герметизирующие проставки 4. Прерывистые вставки в каналах 2 на торцовых сторонах спиральной навивки 1 состоят из элементов 5, расположенных на определенных расстояниях друг от друга. На торцовых сторонах спиральной навивки 1 попарно размещены входные и выходные патрубки 6, 7, 8 и 9 для теплоносителей. Внутри спиральной навивки 1 расположено центральное тело - керн 10, на торцовых сторонах которого имеются резьбовые хвостовики 11. Полосовые герметизирующие проставки 4 прошиты стяжными шпильками 12, а стяжными спицами 13 прошиты концы элементов 5 вставок в каналах 2 на торцовых сторонах спиральной навивки 1. На сторонах полосовых герметизирующих проставок 4, примыкающих к виткам 3 спиральной навивки 1, имеются герметизирующие прокладки 14 из упругого материала. Стяжка спиральной навивки 1 шпильками 12 осуществляется с помощью полосовой накладки 15. Входные и выходные патрубки 6, 7, 8 и 9 в местах резьбового крепления со спиральной навивки 1 имеют герметизирующие прокладки 16.
Работа спирального теплообменника по схеме противотока осуществляется следующим образом. Горячий теплоноситель поступает во входной патрубок 7 и проходит в открытые части каналов 2, не имеющих под патрубком 7 элементов 5 вставок на нижней торцовой стороне спиральной навивки 1. В каналах 2 горячий теплоноситель распределяется по всей площади их поперечных сечений, которые имеют форму разомкнутых спиралей в один оборот и, перемещаясь вверх по направлению оси спиральной навивки, передает тепло через стенки в процессе теплопередачи холодному теплоносителю, движущемуся в смежных каналах 2 спиральной навивки 1. Достигнув верхней торцевой стороны спиральной навивки горячий теплоноситель проходит через открытые части каналов 2, не имеющих элементов 5 вставок под патрубком 8 и через этот патрубок удаляется из спирального теплообменника.
Перемещаясь встречно к горячему теплоносителю, холодный теплоноситель поступает через патрубок Р, распределяется по площади поперечного сечения соответствующих каналов 2 в спиральной навивке 1 и, перемещаясь в каналах сверху вниз, нагревается, воспринимая тепло в процессе теплопередачи через разделяющие стенки от горячего теплоносителя, движущегося в смежных каналах 2. Нагретый холодный теплоноситель далее поступает в полость патрубка 7 и через него выводится из спирального теплообменника.
При работе спирального теплообменника по схеме прямотока подача горячего и холодного теплоносителей осуществляется через патрубки 6 и 7 или 8 и 9, а вывод соответственно через 8 и 9 или 6 и 7.
Компенсация температурных расширений и обусловленных им термических напряжений в элементах спирального теплообменника осуществляется за счет упругих свойств материалов, из которых изготовлены элементы, и геометрической формы данных элементов, обеспечивающую им определенную свободу расширения и сжатия при изменении температуры.
В качестве материала листа для спиральной навивки может использоваться металл или пластмасса толщиной от долей миллиметра до нескольких миллиметров. Возможно изготавливать спиральный теплообменник с малой шириной каналов для прохода теплоносителей, достигающей 1-2 мм и меньше. В этом случае спиральный теплообменник переходит в категорию микроканальных теплообменников, обладающих целым рядом преимуществ и имеющих большие перспективы использования во многих отраслях промышленности [5].
3
Пример исполнения. Спиральный теплообменник используется в качестве теплоутилизатора в приточно-вытяжной вентиляционной системе производственного помещения с воздухообменом 32000 м/ч. Вытяжной воздух в теплоутилизаторе охлаждается от температуры +27°С до температуры +2°С, нагревая противоточный поток приточного воздуха от температуры -5°С до +20°С. Теплоутилизатор выполнен из листа поликарбоната толщиной 0,25 мм. Расстояние между витками (ширина каналов) спиральной навивки 5 мм. Средний диаметр центрального тела - керна составляет 0,1 м, диаметр спиральной навивки - 1,6 м. Необходимую тепловую мощность 235 кВт теплоутилизатор обеспечивает при длине каналов (расстояние между торцами спиральной навивки), равной 3 м. Гидравлические потери давления каждого из потоков теплоносителей на пути следования от входного до выходного патрубков составляет 900 Па.
Значительно сократить длину каналов теплоутилизатора возможно путем оребрения поверхности витков навивки или размещения в каналах гофрированных листов (насадка), что является достаточно разработанным приемом [6].
Предлагаемое устройство имеет следующие преимущества:
- конструктивная простота и технологичность в изготовлении;
- высокая компактность и низкая материалоемкость;
- высокая ремонтопригодность;
- сравнительно легкая очищаемость от загрязнений;
- хорошая самокомпенсация температурных напряжений.
Источники информации
1. Поникаров И.И., Гайнуллин М.Г. Машины и аппараты химических производств и нефтегазопереработки. Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Альфа-М, 2006. С. 153-166, рис. 2.35-2.54.
2. Машины и аппараты химических производств / А.С. Тимонин, Б.Г. Болдин, В.Я. Борщев, Ю.И. Гусев и др. // Под общей редакцией А.С. Тимонина. - Калуга: Изд-во Н.Ф. Бочкаревой, 2008. С. 486, рис. 6.1.3.1.
3. Патент RU №2687669 С1 МПК F28D 1/047. Опубл. 2019.05.15. Бюл. №14.
4. Поникаров И.И., Гайнуллин М.Г. Машины и аппараты химических производств и нефтегазопереработки. Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Альфа - М, 2006. С. 165, рис. 2.52.
5. Особенности гидродинамики и теплообмена при течении в микроканальных технических устройствах / Е.П. Валуева, А.Б. Гаряев, А.В. Клименко. - М.: Издательский дом МЭИ, 2016. С. 8.
6. Коваленко Л.М., Глушков А.Ф. Теплообменники с интенсификацией теплоотдачи. - М.: Энергоатомиздат, 1986. с. 167-169.