ТЕПЛООБМЕННОЕ УСТРОЙСТВО ТЕПЛОВЫХ АГРЕГАТОВ С ТРУБЧАТЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

Полезная модель относится к области теплотехники и может применяться в нагревателях, котлах, печах, работающих на различных видах топлива (твердое топливо, газ, мазут), где в качестве рабочей среды может быть газ или жидкость, с конвективным и принудительным движением. Кроме того, полезная модель может быть использована в дымоходах, газоходах и различных промышленных агрегатах, а также в технологических теплообменниках для охлаждения горячих растворов холодной водой или другим агентом, подаваемым в трубные элементы через коллекторы.
Трубчатые элементы являются основной частью теплообменных аппаратов различного рода нагревателей и печей, которые размещаются в корпусах или в трубных решетках этих аппаратов. При этом обеспечивается вход и выход нагреваемой или охлаждаемой среды через полное сечение трубчатого элемента. Для обеспечения надежности и герметичности соединения монтаж трубчатого элемента в тепловом агрегате является сложным, трудоемким процессом. Одной из операций этого процесса является вальцовка труб в трубной решетке, которую достаточно сложно выполнить в местах прохода труб через корпус теплового агрегата с обеспечением полного сечения трубы (на входе и выходе нагреваемой среды). В то же время для движения нагреваемой или охлаждаемой среды в трубах во многих случаях нет необходимости иметь полное сечение на входе и выходе элемента, например, при конвективном движении среды.
Известна печь-калорифер (патент RU 44168 U1 F24B 7/00, F24B 7/02, опубл. 27.02.2004), теплообменное устройство которой содержит пять трубчатых воздуховодов, размещенных на внутренней боковой поверхности корпуса и выведенных открытыми торцами сквозь плоские основания корпуса, снизу наружу, а в верхней части в пространство под съемной крышкой корпуса.
Недостатком конструкции печи-калорифера является сложность изготовления верхнего и нижнего оснований печи с выполнением отверстий для выхода труб с открытым сечением.
Известна печь-калорифер (патент RU 2035009 C1 F24B 7/02, опубл. 27.07.2006), выполненная в форме восьмигранной призмы и содержащая две стенки с трубчатыми элементами. Трубчатые элементы размещены в ряд на двух трехгранных зеркально расположенных стенках, соответствующих граням боковой поверхности призмы, а в двух стенках, соответствующих оставшимся граням, выполнены пазы для размещения трубчатых элементов. Трубчатые элементы выполнены из проката стандартного или специального профиля в виде отрезков труб, состыкованных между собой, и незамкнутой стороной закреплены на стенках. Трубчатые элементы могут быть выполнены в виде гофрированного листа, который закреплен на стенке или в виде оребреного листа, который со стороны незамкнутых ребер закреплен на стенках.
Недостатком указанной печи-калорифера является сложность выполнения пазов (отверстий) в верхних и нижних стенках. Кроме того, использование гофрированных элементов для корпуса печи уступает трубным элементам из-за меньшей поверхности теплообмена, сложности изготовления гофрированного листа необходимого качества, например, жаростойкого и жаропрочного.
Все перечисленные выше недостатки присутствуют также во всех известных печах «Bullerian» (производство Канада).
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является воздухонагреватель печной (патент RU 8778 U1 F24B 5/06, опубл. 16.12.1998), содержащий корпус из воздухопроводящих труб, заднюю стенку с трубой и поворотной заслонкой для выхода дымовых газов, переднюю стенку с окном для загрузки топлива, закрываемым дверцей и заслонкой для подсоса воздуха, дно с колосниковой решеткой. Воздухопроводящие трубы, образующие корпус, выполнены дугообразными и соединены последовательно в монолитный блок. При этом нижние концы труб открыты, а в верхней части, с внешней стороны по вершинам дуг, за исключением трубы ближней к передней стенке, выполнены пазы для выхода нагретого воздуха.
Однако указанный воздухонагреватель имеет следующие недостатки:
- недостаточную эффективность, поскольку трубы установлены вплотную друг к другу, образуя корпус печи, при этом наружные части труб, образующих корпус, находится вне зоны нагрева, в результате чего снижается поверхность теплообмена тыльной части труб;
- высокую материалоемкость, так как воздухопроводящие трубы, образующие корпус, соединены последовательно в монолитный блок, то есть воздухонагреватель содержит большое количество труб, установленных вплотную;
- трудоемкость изготовления, поскольку наружная сторона трубного блока проварена стальными полосами между каждой парой труб, т.е. слишком много сварных швов;
- сложность изготовления нижнего основания воздухонагревателя в месте его соединения с трубным блоком при обеспечении полного сечения нижних концов труб.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является создание теплообменного устройства с трубчатыми элементами, конструкция которого позволит увеличить поверхность теплообмена и обеспечит простоту изготовления с возможностью установки этой конструкции в различные тепловые агрегаты.
Поставленная задача решается тем, что разработана иная конструкция теплообменного устройства тепловых агрегатов с трубчатыми элементами, которая будет эффективнее известных теплообменных устройств, проще в изготовлении и благодаря особенностям конструкции иметь широкую область применения. За основу принимаются два принципа работы устройства:
1. Подача рабочей среды в трубчатый элемент и отвод ее из него производятся через отверстия, площадь каждого из которых меньше площади сечения трубчатого элемента.
Исходя из практики и произведенных расчетов: даже при конвективном движении нагреваемой среды в отопительном агрегате площадь каждого отверстия для подвода и отвода нагреваемой или охлаждаемой среды (входящие и выходящие отверстия) может быть меньше, чем площадь сечения трубчатого элемента, что значительно упрощает изготовление этих отверстий. Для этого трубчатые элементы установлены внутри теплового агрегата вплотную к стенкам его корпуса, а в местах примыкания трубчатых элементов к корпусу теплового агрегата, в стенках корпуса и в трубчатых элементах выполнены сквозные отверстия для подвода и отвода рабочей среды, площадь каждого из которых меньше площади сечения трубчатого элемента. При этом места стыков отверстий выполнены герметичными по отношению к тепловой зоне агрегата, а трубчатые элементы заглушены по торцам.
2. Подвод и отвод рабочей среды в трубчатый элемент осуществляют через общие отверстия, выполненные в стенках корпуса и в стенках трубчатого элемента, при этом входящих и выходящих отверстий может быть по одному или по несколько, причем отверстия могут быть различной конфигурации сечения.
Это позволяет распределять подогретый воздух на определенную площадь. Трубчатые элементы с большим количеством щелевых отверстий, выполненных по всей длине трубчатого элемента, могут служить аналогом гофрированной поверхности, но с гораздо большей площадью поверхности теплообмена.
Технический результат - простота изготовления и расширение функциональных возможностей с обеспечением эффективности теплообмена.
Технический результат достигается тем, что теплообменное устройство тепловых агрегатов содержит трубчатые элементы, установленные внутри теплового агрегата вплотную к стенкам его корпуса, при этом концы трубчатых элементов заглушены, а в местах соприкосновения в трубчатом элементе и в корпусе выполнены, по меньшей мере, два сквозных отверстия для подвода и отвода рабочей среды, места стыков которых выполнены герметичными, причем площадь каждого отверстия меньше площади сечения трубчатого элемента. Трубчатые элементы могут быть различной конфигурации сечения, например, круглого, квадратного, прямоугольного, каплевидного. Трубчатые элементы заглушены с торцов или отдельными заглушками, или общей пластиной, или сдавленными и заваренными с торцов стенками трубчатого элемента, и/или стенками корпуса теплового агрегата. Отверстия для подвода и отвода нагреваемой или охлаждаемой среды могут быть различной конфигурации, например, круглой, прямоугольной, щелевидной, в зависимости от типа, назначения теплового агрегата и технологии его изготовления. Герметичность мест стыка отверстий может быть обеспечена с помощью сварного шва или крепежных элементов.
Сущность полезной модели поясняется чертежами.
На фиг.1 представлен трубчатый элемент с креплением к корпусу теплового агрегата; на фиг.2 представлена схема расположения в отопительной печи трубчатых элементов с примерами различной конфигурации их сечения; на фиг.3 - схема расположения трубчатых элементов, например, в дымоходе или в тепловой трубе с примерами трубчатых элементов различной конфигурации сечения; на фиг.4 показан вертикальный разрез отопительной печи (пример использования предлагаемого теплообменного устройства).
Теплообменное устройство содержит трубчатые элементы 1, установленные в тепловой зоне агрегата боковыми сторонами вплотную к стенкам корпуса 3 (фиг.1), при этом концы трубчатых элементов заглушены. Трубчатые элементы могут быть различной конфигурации сечения (фиг.2), например, круглого, квадратного, прямоугольного, каплевидного и т.д.
В зависимости от конструкции теплового агрегата трубчатые элементы 1 могут быть заглушены с торцов отдельными заглушками 2 (фиг.1), выполненными, например, в виде пластины, или группа трубчатых элементов может быть заглушена общей пластиной 7 (фиг.4) и/или элементами 6 корпуса теплового агрегата (фиг.4). Кроме того, трубчатые элементы могут быть заглушены с торцов способом сдавливания стенок трубчатого элемента с последующей сваркой.
В корпусе 3 и в трубчатых элементах 1, в местах их соприкосновения к корпусу 3 теплового агрегата, выполнены отверстия для подвода 4 и отвода 5 нагреваемой или охлаждаемой среды (входящие и выходящие отверстия) (фиг.1, фиг.4). Отверстий для подвода 4 и отвода 5 нагреваемой/охлаждаемой (рабочей) среды может быть по одному или по несколько с общим сечением согласно гидравлическому расчету движения среды. Отверстия 4, 5 могут быть выполнены в различной конфигурации, например, круглой, прямоугольной, щелевидной и т.д., в зависимости от типа, назначения теплового агрегата и технологии его изготовления. Места стыка отверстий 4, 5 для герметичности обварены общим сварным швом (фиг.1). Герметичность отверстий по отношению к тепловой зоне агрегата может быть обеспечена с помощью крепления крепежными элементами. Крепление трубчатого элемента 1 к корпусу 3 теплового агрегата в районе отверстий для подвода 4 и отвода 5 при помощи сварки или другого способа соединения обеспечивает герметизацию отверстий от попадания высокотемпературной среды из теплового агрегата в трубчатый элемент. Площадь каждого отверстия 4 или 5 должна быть меньше площади сечения трубчатого элемента 1.
Трубчатые элементы 1 теплообменного устройства приварены только в местах стыков отверстий 4, 5 и расположены друг от друга на минимальном расстоянии, позволяющем обеспечивать теплопроводность по всей окружности сечения трубчатого элемента.
Данная конструкция теплообменного устройства проста в изготовлении и значительно увеличивает поверхность теплообмена.
Выполнение отверстия в корпусе 3 большей площадью, чем площадь отверстия в трубчатом элементе 1 на размер сварного шва, позволяет производить сварку снаружи корпуса 3 (фиг.1).
Трубчатые элементы 1 могут быть смонтированы вплотную к стенке корпуса 3 параллельным рядом по периметру сечения теплового агрегата или в другом порядке, в зависимости от конструкции теплового агрегата. На фиг.2, например, показана схема расположения трубчатых элементов 1 различной конфигурации по сечению отопительной печи. На фиг.3 показана схема расположения трубчатых элементов 1 различного сечения, например, в дымоходе или в жаровой трубе теплового агрегата.
Отверстия для подвода 4 и отвода 5 нагреваемой (охлаждаемой) среды могут быть объединены отдельными коллекторами 8 (фиг.4) с регулировкой потока.
На фиг.4 показан пример использования предлагаемой конструкции теплообменного устройства в отопительной печи. В поперечном сечении печи показаны два ряда трубчатых элементов 1, расположенных по боковым стенкам печи. Трубчатые элементы 1 заглушены снизу элементом 6 корпуса 3, а именно наклонным днищем печи. Сверху трубчатые элементы 1 заглушены общими пластинами 7.
Нагреваемый воздух поступает по коллекторам 8 (фиг.4) через нижние отверстия днища печи в трубчатые элементы 1, по которым конвективным потоком поднимается вверх и выходит через отверстия в верхней части корпуса печи (воздух на фиг.1 и фиг.4 обозначен стрелками).
Поскольку в составе предлагаемого теплообменного устройства могут быть использованы трубные изделия любой конфигурации сечения, поэтому оно может быть применено в тех тепловых агрегатах, при монтаже которых нет возможности применения способа вальцовки труб.
В связи с тем, что концы трубчатых элементов предлагаемого теплообменного устройства заглушены, то нет необходимости при состыковке их с корпусом выполнять отверстия полного сечения трубы, что обеспечивает снижение трудоемкости изготовления при монтаже теплового агрегата.
Использование для подвода и отвода рабочей среды общих отверстий, выполненных в трубчатых элементах и в корпусе теплового агрегата меньшей площадью, чем площадь сечения трубчатого элемента, позволяет распределить подогретый воздух на максимальную площадь и повысить скорость движения рабочей среды, что обеспечивает повышение эффективности. Кроме того, выполнение отверстий в различной конфигурации сечения также обеспечивает эффективность теплообмена.
Установка трубчатых элементов внутри теплового агрегата вплотную к стенкам его корпуса и крепление трубчатых элементов только в местах стыка отверстий обеспечивает простоту изготовления с уменьшением трудоемкости, снижением себестоимости, а также обеспечивает возможность ее установки в тепловые агрегаты различного назначения, т.е. расширяет функциональные возможности.