ГАЗОЖИДКОСТНЫЙ КОЖУХОТРУБНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК С АВТОМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМОЙ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ТЕПЛООБМЕНА
LIQUID-AND-GAS TUBE-AND-SHELL HEAT EXCHANGER WITH AUTOMATIC CONTROL SYSTEM FOR HEAT EXCHANGE PROCESS CONTROL

Изобретение относится к области теплообмена и может быть использовано преимущественно в области машиностроения для передачи теплоты от выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания (ДВС) к теплоносителю утилизационного контура и далее к теплоприемникам, установленным в основных системах, как стационарных, так и самоходных машин для поддержания в них оптимального теплового режима.
Известно, что при эксплуатации машин в условиях низких температур окружающей среды понижается тепловой режим агрегатов моторно-трансмиссионной установки, возрастает вязкость масла, которая вызывает соответствующее повышение потерь мощности.
Например, по данным ряда исследователей, потери мощности в трансмиссии тракторов в зимний период эксплуатации могут достигать в первые минуты движения 80-90% от номинальной мощности, которую развивает двигатель. В итоге увеличивается износ и расход топлива, снижается производительность машины и увеличивается себестоимость производимой продукции. В то же время с отработавшими газами в окружающую среду выбрасывается до 30% теплоты сгоревшего в двигателе топлива.
В настоящее время практическое использование теплоты выхлопных газов ДВС нашло широкое применение в автономных теплоэнергетических установках. Эти установки вырабатывают электроэнергию и одновременно утилизируют теплоту выхлопных газов (Патент RU 2007606 С1, F02G 5/04; Патент RU 2162534 С1. F02G 5/02. 1/043. F02В 65/00). Утилизация теплоты в приведенных патентах осуществляется при помощи газожидкостных теплообменников. Циркулирующая в контурах теплообменников жидкость может использоваться для передачи теплоты по назначению.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является кожухотрубный теплообменник (Патент RU 2395774 С1, F28D 7/00).
Кожухотрубный теплообменник содержит кожух из двух концентрично расположенных цилиндров, между которыми расположены теплообменные трубы с поперечным сечением трапециевидной формы. Трубы закреплены в решетках с расположением их торцов по радиусу вокруг внутреннего цилиндра, выполненного в виде съемной втулки. Теплообменник снабжен входным и выходным коллекторами для внутритрубной среды, а также входными и выходными патрубками для межтрубной среды.
Недостатком данной конструкции теплообменного аппарата является отсутствие возможности автоматического регулирования его теплопроизводительности в зависимости от уровня теплопотребления, что может привести к перегреву теплоносителя и выходу из строя теплообменника.
Количество теплоты, которое необходимо дополнительно подвести к различным системам двигателя и трансмиссии машины в период прогрева, зависит от их теплового состояния, температуры окружающей среды и режима работы двигателя. Например, после пуска двигателя и во время его работы в холодное время года с целью сокращения времени прогрева и как, следствие, сокращения расхода топлива, повышения производительности машины и улучшения условий труда машиниста требуется большое количество теплоты, которую необходимо дополнительно подвести к системе охлаждения и системе смазки двигателя от постороннего источника. В качестве такого источника можно использовать теплоту выхлопных газов. Кроме того, теплоту выхлопных газов можно использовать для разогрева и дальнейшего поддержания теплового режима коробки передач и ведущих мостов машин, что позволит резко сократить потери мощности в них и снизить расход топлива двигателем.
Технической задачей, которая решается в заявляемом устройстве, является конструкция кожухотрубного газожидкостного теплообменника с автоматическим регулированием его теплопроизводительности в зависимости от потребляемого количества теплоты, которое необходимо подвести к тем или иным системам и узлам машины в разное время года и при различной степени загрузки двигателя. Поставленная задача решается тем, что в газожидкостном кожухотрубном теплообменнике с автоматической системой управления процессом теплообмена, содержащем кожух из двух концентрично расположенных цилиндров, между которыми расположены теплообменные трубы, которые закреплены в решетках с расположением торцов труб по радиусу вокруг внутреннего цилиндра, кожух снабжен входным и выходным коллекторами для внутритрубной среды, при этом внешний цилиндр выполнен гофрированным и дополнительно оборудован внешней термоизоляционной оболочкой. Внутренний цилиндр представляет собой часть выхлопной трубы - центральной трубы, состоящей из двух частей верхней съемной и нижней несъемной. Причем несъемная часть приварена к крышке нижней трубной решетки теплообменника таким образом, что срез трубы находится выше поверхности нижней трубной решетки, а верхняя часть центральной трубы свободно надета на нижнюю часть центральной трубы и приварена к фланцу, который крепится к крышке верхней трубной решетки. В верхней части центральной трубы установлена газовая заслонка, выходной конец оси которой соединен с механизмом привода, представляющим собой рычаг, соединенный с терморегулятором при помощи тяги. Терморегулятор включает в себя термосиловой датчик, двуплечий рычаг, опору двуплечего рычага, пружину терморегулятора, регулировочный винт с контргайкой и крышку. Термосиловой датчик установлен таким образом, что его термочувствительный элемент находится во входном коллекторе и омывается поступающей в теплообменник межтрубной средой. Перед газовой заслонкой в верхней части центральной трубы просверлены отверстия, которые выполняют функцию патрубка подвода межтрубной среды. После газовой заслонки в верхней части центральной трубы также просверлены отверстия, которые выполняют функцию патрубка отвода межтрубной среды. Площадь отверстий перед газовой заслонкой больше на 10-15% площади поперечного сечения центральной трубы, площадь отверстий после газовой заслонки также больше на 10-15% площади поперечного сечения центральной трубы. Газовая заслонка установлена на минимально возможном расстоянии от терморегулятора, с учетом отверстий выполняющих функцию патрубка отвода межтрубной среды. Межтрубное пространство разделено перегородками, количество которых определяется производительностью и компоновочными размерами теплообменника. Перегородки и отверстия, выполняющие функцию подводящего и отводящего патрубков межтрубной среды, образуют охладительный контур межтрубной среды. Температура внутритрубной среды поддерживается на заданном уровне увеличением или уменьшением объема межтрубной среды, участвующей в теплообмене, при помощи изменения положения газовой заслонки посредством воздействия штока термосилового датчика терморегулятора через двуплечий рычаг на механизм привода.
Устройство и работа предлагаемого изобретения поясняются следующими иллюстрациями:
- Фиг.1. Продольный разрез теплообменника.
- Фиг.2. Вид А.
- Фиг.3. Теплообменник с закрытой газовой заслонкой.
- Фиг.4. Теплообменник с открытой газовой заслонкой.
Предлагаемая конструкция газожидкостного кожухотрубного теплообменника с автоматической системой управления процессом теплообмена состоит из: кожуха 1; входного коллектора 2; выходного коллектора 3; теплообменных труб 4; верхней трубной решетки 5; нижней трубной решетки 6; тарельчатых крышек 7, 8; верхней части центральной трубы 9; нижней части центральной трубы 10; фланца 11; шпилек 12; гаек 13; прокладки металлоасбестовой 14; газовой заслонки 15; отверстий до заслонки 16; отверстий после заслонки 17; перегородок межтрубного пространства 18; винтов 19; оси заслонки 20; втулок 21; рычага 22; тяги 23; терморегулятора в сборе 24; термосилового датчика терморегулятора 25; двуплечего рычага терморегулятора 26; опоры двуплечего рычага терморегулятора 27; пружины терморегулятора 28; регулировочного винта терморегулятора 29; контргайки регулировочного винта терморегулятора 30; опоры пружины терморегулятора 31; крышки терморегулятора 32; термоизоляционной оболочки кожуха 33; патрубка подвода внутритрубной среды 34; патрубка отвода внутритрубной среды 35.
На фиг.3, 4 дополнительно изображены: вход в теплообменник жидкости - внутритрубной среды 36; выход из теплообменника жидкости 37; вход в теплообменник выхлопных газов двигателя - межтрубной среды 38; выброс выхлопных газов в атмосферу 39.
Кожух 1 теплообменника выполнен в виде гофрированного цилиндра и приварен к боковой поверхности входного 2 и выходного 3 коллекторов. Гофрированная форма кожуха необходима для компенсации увеличения линейных размеров теплообменных труб 4 при нагревании. Термоизоляционная оболочка кожуха 33 служит для уменьшения потерь теплоты и увеличения эффективности процесса теплообмена. Теплообменные трубы 4 приварены к трубным решеткам 5 и 6. Площадь поверхности теплообменных труб определяется расчетным путем по известным методикам с учетом мощности теплопотребителей.
К верхней трубной решетке 5 и нижней решетке 6 приварены тарельчатой формы крышки 7 и 8 соответственно, в результате чего образуются входной 2 и выходной 3 коллекторы.
Теплообменник монтируется на участке выхлопной системы двигателя, желательно сразу после турбины, если она есть, или ближе к выхлопным отверстиям выхлопных коллекторов. Центральная труба теплообменника состоит из двух частей: верхней части 9 и нижней 10. Причем нижняя часть трубы 10 приваривается одновременно к крышке 8 и трубной решетке 6 выходного коллектора 3 так, чтобы срез трубы был выше поверхности нижней трубной решетки. Верхняя часть центральной трубы 9 свободно надевается на выступающую нижнюю часть трубы 10 и приваривается к фланцу 11, который крепится к крышке входного коллектора 2 с помощью шпилек 12 и гаек 13. С целью исключения утечек газов между фланцем и крышкой верхнего коллектора установлена металлоасбестовая прокладка 14.
В верхней части центральной трубы установлена газовая заслонка 15, перед которой в трубе просверлены отверстия 16, а после - отверстия 17. Отверстия 16 выполняют функцию входного патрубка в межтрубное пространство, а отверстия 17 - функцию выходного патрубка из межтрубного пространства. Газовая заслонка устанавливается на минимально возможном расстоянии от терморегулятора 24, с учетом расстояния, необходимого на выполнение отверстий 17.
Суммарные площади отверстий 16 и 17 должны быть равными между собой, а величина каждой из площадей с учетом потерь на сопротивление, которое может создаваться газовой заслонкой и отверстиями, должна быть на 10-15% больше площади поперечного сечения центральной трубы. Межтрубное пространство разделено перегородками 18, образующими охладительный контур межтрубной среды с отверстиями 16 и 17. Количество перегородок 18 определяется производительностью и компоновочными размерами теплообменника.
Газовая заслонка 15 с помощью винтов 19 или заклепок крепится к оси заслонки 20. Ось вращается во втулках 21, которые приварены к верхней части центральной трубы 9. Выходной конец оси 20 соединяется с механизмом привода газовой заслонки 15. Механизм привода представляет собой рычаг 22, к которому крепится тяга 23. Тяга 23 проходит через кольцевую щель между входным коллектором и центральной трубой, а далее через отверстие во фланце 11 в терморегулятор 24.
Терморегулятор 24 включает в себя термосиловой датчик 25, например термосиловой датчик ТД-2, который имеет полный вылет штока 8-10 мм при температуре 85-90°С, двуплечий рычаг 26, опору 27, пружину 28, регулировочный винт 29 с контргайкой 30 и крышку 32.
Термосиловой датчик 25 установлен во входном коллекторе 2 так, что его чувствительный элемент омывается межтрубной средой (далее жидкость), поступающей от теплопотребителей. Уплотнение термосилового датчика 25 осуществляется с помощью уплотнительного кольца. К крышке входного коллектора 2 термосиловой датчик 25 прижимается фланцем 11. Шток термосилового датчика 25 выходит в корпус терморегулятора 24 через отверстие во фланце 11. Двуплечий рычаг 26 закрепляется на опоре 27 в виде коромысла. В нижнюю правую часть двуплечего рычага 26 упирается шток термосилового датчика 25. К правой верхней части двуплечего рычага 26 приварена опора 31 для фиксации пружины 28. К левой части двуплечего рычага 26 крепится тяга 23 механизма привода газовой заслонки 15.
Терморегулятор 24 закрывается крышкой 32, в которой установлен регулировочный винт 29 с контргайкой 30 и пружиной 28.
Теплообменник помимо основного предназначения может исполнять роль глушителя.
Теплообменник является многоходовым и работает по традиционной противоточной схеме.
В исходном состоянии, после запуска холодного двигателя, шток термосилового датчика 25 втянут в его корпус. Правая часть двуплечего рычага 26 с помощью пружины 28 прижата к торцу штока термосилового датчика 25. Газовая заслонка 15 находится в положении «закрыто» (фиг.3). Выхлопные газы, не имея возможности двигаться через центральную трубу теплообменника, проходят через отверстия 16 верхней части центральной трубы и попадают в первый ход межтрубного пространства, ограниченного нижней трубной решеткой 6 и перегородкой 18. Далее выхлопные газы меняют направление движения на противоположное и попадают в следующий ход межтрубного пространства, ограниченный только перегородками 18, а затем снова меняют направление движения и так по всем ходам межтрубного пространства теплообменника. Достигнув последнего хода межтрубного пространства, ограниченного верхней трубной решеткой 5 и последней перегородкой 18, выхлопные газы через отверстия 17 попадают обратно в центральную трубу и далее через выхлопную систему выбрасываются в окружающую среду. В ходе движения выхлопных газов через межтрубное пространство осуществляется теплопередача от выхлопных газов к жидкости, циркулирующей в теплообменных трубах. Циркулирующая в теплообменнике жидкость нагревается и далее теплота, аккумулируемая жидкостью, подается непосредственно к теплоприемникам (например, установленным в системе жидкостного охлаждения и в системе смазки двигателя, в коробке передач, в ведущих мостах и т.п.).
При достижении во входном коллекторе 2 температуры жидкости 70-75°С шток датчика 25, преодолевая сопротивление пружины 28, начинает перемещаться вверх, воздействует на плечо рычага 26 и через тягу 23 на рычаг 22 и ось 20 газовой заслонки 15. Газовая заслонка 15 начинает открываться. При этом одновременно часть выхлопных газов поступает в межтрубное пространство теплообменника, а часть через центральную трубу и далее через выхлопную систему выбрасывается в атмосферу. При достижении заданной температуры (85-90°С) заслонка открывается полностью. В этом случае выхлопные газы выбрасываются в атмосферу, минуя межтрубное пространство теплообменника. Теплопередача прекращается (фиг.4).
С понижением температуры жидкости ниже заданных значений шток термосилового датчика 25 начинает перемещаться вниз, одновременно с этим пружина 28 воздействует на плечо рычага 26 и через тягу 23 на ось 20 газовой заслонки 15. Газовая заслонка 15 начинает закрываться. Выхлопные газы снова начинают поступать в межтрубное пространство, теплопередача возобновляется. Таким образом, осуществляется автоматическое поддержание температуры внутритрубной среды в заданных пределах.
При необходимости разобрать теплообменник отворачивают гайки 13, с помощью которых фланец 11 крепится к входному коллектору 2. Снимают фланец вместе с верхней частью центральной трубы 9, газовой заслонкой 15 с механизмом привода и терморегулятором 24. В результате появляется возможность свободного доступа к межтрубному пространству, что удобно для его обслуживания и ремонта. Кроме того, такая конструкция обеспечивает доступ к газовой заслонке 15, рычагу 22, тяге 23 и термосиловому датчику 25.