Многоходовый спиральный теплообменник
MULTI-PASS SPIRAL HEAT EXCHANGER

Изобретение относится к рекуперативным теплообменным устройствам и может быть использовано в химической, пищевой промышленности, нефтегазопереработке, энергетике, в коммунально-бытовом хозяйстве и в других отраслях техники, где требуется нагрев или охлаждение газов и жидкостей.
Известные теплообменники с листовой поверхностью теплопередачи [1] по отношению к широко используемым в настоящее время кожухотрубчатым теплообменникам имеют более низкую удельную материалоемкость и более высокий коэффициент унификации.
Известны пластинчатые теплообменники [2] с поверхностью теплопередачи из параллельно расположенных теплопроводящих листов, которые образуют щелевые каналы для прохода теплоносителей. При малой ширине каналов пластинчатые теплообменники имеют высокую компактность. Их недостаток состоит в повышенном гидравлическом сопротивлении проходу теплоносителей и трудности изготовления.
Известен теплообменник с поверхностью теплопередачи из ленты, согнутой и навитой в плоскую спираль вокруг оси сгиба так, что полости между соседними витками поверхности ленты образуют чередующиеся между собой каналы для горячего и холодного теплоносителей [3]. Теплообменник имеет повышенную интенсивность теплопередачи и высокую компактность. Недостатком известного теплообменника является сложность изготовления и необходимость использования при этом специального технологического оборудования. Связано это с тем, что для образования спиральных каналов необходимо сворачивать одновременно две ленты, обеспечивая при этом равномерный зазор между витками, что достаточно сложно осуществить.
Известен спиральный теплообменник, включающий ленточную спиральную навивку, состоящую из витков, образующих общие стенки чередующихся между собой каналов для прохода соответственно горячего и холодного теплоносителей, дистанционные вставки в каналах на торцовых сторонах спиральной навивки, входные и выходные патрубки для теплоносителей, центральное тело-керн [4] - прототип. Известный спиральный теплообменник имеет сравнительно низкую удельную материалоемкость и малую загрязняемость стенок каналов; характеризуется высокой компактностью. Его недостатком, как и для других известных спиральных теплообменников, является сложность изготовления, связанная с необходимостью сворачивания в рулон одновременно двух лент. Другим недостатком спиральных теплообменников и прототипа в том числе является движение каждого из теплоносителей в одном канале и только одним ходом, что ограничивает применение спиральных теплообменников, не позволяя использовать их, например, для теплоносителей, характеризуемых высокими числами Прандтля, когда длина канала (хода), исчисляемая в калибрах, должна составлять сотни единиц.
Техническая проблема, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в упрощении конструкции и в обеспечении многоходового движения теплоносителей в спиральном теплообменнике.
Поставленная проблема решается тем, что многоходовой спиральный теплообменник, включающий ленточную спиральную навивку, состоящую из витков, образующих общие стенки чередующихся между собой каналов для прохода соответственно горячего и холодного теплоносителей, дистанционные вставки в каналах на торцовых сторонах спиральной навивки, входные и выходные патрубки, центральное тело-керн, имеет размещенные между витками спиральной навивки перегородки, в совокупности образующие радиальные стенки обособленных проточных зон в спиральной навивке, при этом количество образованных перегородками радиальных стенок и проточных зон между ними равно числу ходов теплоносителей, одна из радиальных стенок выполнена из перегородок расположенных по всей ширине витков спиральной навивки, а другие радиальные стенки выполнены из укороченных перегородок, с образованием перетоков между проточными зонами, причем перетоки в радиальных стенках попеременно примыкают к одной и к другой боковым кромкам витков спиральной навивки, входные и выходные патрубки для горячего и холодного теплоносителей размещены на одной, при четном числе ходов теплоносителей, или обеих, при нечетном числе ходов, торцовых сторонах спиральной навивки попарно в границах проточной зоны, дистанционные вставки в каналах на торцовых сторонах спиральной навивки имеют разрывы, через которые полости входных и выходных патрубков для горячего и холодного теплоносителей соединены с соответствующими каналами проточных зон.
В отличие от известного устройства [4], размещение между витками спиральной навивки перегородок, в совокупности образующих радиальные стенки обособленных проточных зон в спиральной навивке, причем количество образованных перегородками радиальных стенок и проточных зон между ними равно числу ходов теплоносителей, одна из радиальных стенок выполнена из перегородок, расположенных по всей ширине витков спиральной навивки, а другие радиальные стенки выполнены из укороченных перегородок, с образованием перетоков между проточными зонами, перетоки в радиальных стенках попеременно примыкают к одной и к другой боковым кромкам витков спиральной навивки, входные и выходные патрубки для горячего и холодного теплоносителей размещены на одной, при четном числе ходов теплоносителей, или обеих, при нечетном числе ходов, торцовых сторонах спиральной навивки попарно в границах проточной зоны, дистанционные вставки в каналах на торцовых сторонах спиральной навивки имеют разрывы, через которые полости входных и выходных патрубков для горячего и холодного теплоносителей соединены с соответствующими каналами проточных зон, позволяет упростить конструкцию, повысить технологичность ее изготовления и обеспечить многоходовость движения теплоносителей при любом четном и нечетном числе ходов.
В предлагаемом многоходовом спиральном теплообменнике спиральная навивка создается путем сворачивания одного листа, что технологически легко выполнимо. В спиральной навивке каждый из теплоносителей перемещается параллельными потоками через каналы, при варьировании числа которых и площади их поперечного сечения можно в широких пределах изменять расходы теплоносителей и тепловую мощность многоходового спирального теплообменника.
Наличие многоходовости теплоносителей расширяет возможности компоновочных решений теплообменника, позволяет увеличивать скорости движения потоков и соответственно интенсивность их теплообмена, что в результате обеспечивает высокую компактность устройства. При этом возможно осуществить наиболее предпочтительное противоточное движение горячего и холодного теплоносителей на протяжении всего их пути в каналах спиральной навивки.
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 конструктивно сложны и трудны в изготовлении, являются одноходовыми по теплоносителям.
Все это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию изобретения «существенные отличия».
На фигурах представлен частный случай 3-ходового спирального теплообменника. На фиг. 1 показан вид снизу на многоходовой спиральный теплообменник; на фиг. 2 - разрез А - А на фиг. 1; на фиг. 3 - сечение Б - Б на фиг. 2.
Многоходовой спиральный теплообменник включает ленточную спиральную навивку из витков 1, выполненных путем сворачивания одной ленты, одним своим концом закрепленной на центральном теле-керне 2. Между витками 1 спиральной навивки образованы каналы 3 и 4 для прохода соответственно горячего и холодного теплоносителей. На торцовых сторонах спиральной навивки в каналах 3 и 4 расположены дистанционные вставки 5, имеющие разрывы 6 и 7, через которые каналы 3 и 4 соединены с полостями входных 8, 9 и выходных 10, 11 патрубков для горячего и холодного теплоносителей. В направлении оси спиральной навивки в каналах 3 и 4 между витками размещены сплошные перегородки 12, занимающие всю ширину витков 1, и укороченные перегородки 13 и 14, занимающие части ширины витков 1. Сплошные перегородки 12 образуют непроницаемую для теплоносителей радиальную стенку 15, а укороченные перегородки 13 и 14 образуют радиальные стенки 16 и 17. Радиальные стенки 15, 16 и 17 разделяют спиральную навивку на проточные зоны (ходы теплоносителей) с секторной формой поперечного сечения. Проточные зоны (ходы теплоносителей) в рассматриваемом частном случае 3-ходового спирального теплообменника соединены между собой перетоками 18 и 19, выполненными в радиальных стенках 16 и 17 и попеременно примыкающими к одной и к другой боковым кромкам витков 1 спиральной навивки. Входные 8, 9 и выходные 10, 11 патрубки для горячего и холодного теплоносителей размещены на торцовых сторонах спиральной навивки попарно в границах смежных проточных зон, разделенных между собой непроницаемой для теплоносителей радиальной стенкой 15.
Работа многоходового спирального теплообменника по схеме противотока, например, осуществляется следующим образом. Горячий теплоноситель поступает через входной патрубок 8 и разрывы 6 в дистанционных вставках 5 в каналы 3 проточной зоны, которая ограничена непроницаемой для теплоносителей радиальной стенкой 15 и радиальной стенкой 16, образованной укороченными перегородками 13. Перемещаясь в каналах 3 проточной зоны в направлении параллельном оси спиральной навивки, горячий теплоноситель достигает перетоков 18 в радиальной стенке 16, через которые поступает в смежную проточную зону, ограниченную радиальными стенками 16 и 17. Повернув на 180° и пройдя по каналам 3 в данной проточной зоне во встречном направлении, горячий теплоноситель через перетоки 19 поступает в следующую проточную зону, ограниченную радиальной стенкой 17 и непроницаемой радиальной стенкой 15, где после нового поворота вновь изменяет направление движения на обратное. Далее, через разрывы 6 дистанционных вставок 5 поступает в полость выходного патрубка 11, откуда выводится из многоходового спирального теплообменника.
Холодный теплоноситель поступает в полость входного патрубка 9, через разрывы 7 в дистанционных вставках 5 распределяется по каналам 4 проточной зоны, ограниченной радиальными стенками 15 и 17, где движется в направлении к противоположному торцу спиральной навивки. Далее холодный теплоноситель через перетоки 19 входит в проточную зону, ограниченную радиальными стенками 16 и 17, после поворота на 180° перемещается в каналах 4 в обратном направлении и, достигнув перетоков 18, через них поступает в следующую проточную зону, ограниченную радиальной стенкой 16 и непроницаемой радиальной стенкой 15. Повернув на 180° и пройдя своим завершающим третьим ходом последнюю проточную зону, холодный теплоноситель через разрывы 7 дистанционных ставок 5 в каналах 4 поступает в полость патрубка 10, откуда выводится из многоходового спирального теплообменника.
Движение горячего теплоносителя в каналах 3 и холодного теплоносителя в каналах 4 спиральной навивки сопровождается их тепловым взаимодействием через стенки витков 1, разделяющих каналы. Результатом процесса теплопередачи является охлаждение горячего и нагрев холодного теплоносителей.
Лента для изготовления витков 1 спиральной навивки может быть металлической или из пластмассы и иметь толщину от долей миллиметра до нескольких миллиметров. Ширина каналов 3 и 4 для прохода теплоносителей может назначаться в широких пределах и составлять от нескольких миллиметров до десятков миллиметров.
3
2
Пример. Трехходовой спиральный теплообменник «воздух - воздух» используется в приточно-вытяжной вентиляционной системе с расходами потоков теплоносителей по 45000 м/ч. Его тепловая мощность составляет 320 кВт. Материал ленты, из которой выполнена спиральная навивка, - поликарбонат, ее толщина - 0,25 мм. Ширина каналов между витками спиральной навивки составляет 5 мм, а средний диаметр центрального тела-керна - 0,1 м. При данных показателях поперечный габаритный размер (диаметр) спиральной навивки равен 1,6 м, а ее ширина - 0,8 м. Площадь поверхности теплопередачи теплообменника составляет 345 м. В условиях противоточного движения теплоносителей нагрев приточного воздуха в теплообменнике осуществляется от температуры -5°С до +20°С при средней разности температур между теплоносителями 7°С. Потеря давления каждого из потоков воздуха на пути движения от входного до выходного патрубков составляет 3200 Па.
Предлагаемое устройство имеет следующие преимущества:
- конструктивная простота;
- технологичность изготовления;
- компактность;
- возможность обеспечить любое, четное и нечетное, число ходов теплоносителей;
- возможность обеспечить наиболее предпочтительное противоточное движение теплоносителей на всем пути их движения в теплообменнике при любом числе ходов.
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 общ. ред. А.С. Тимонина - Калуга: Изд-во Н.Ф. Бочкаревой, 2008. с. 486, рис. 6.1.3.1.
3. Патент RU №2141089 С1, МПК F28D 7/04. Опубл. 1999.11.10.
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.