Аппарат воздушного охлаждения
AIR COOLER

Изобретение относится к теплообменным устройствам, где осуществляется охлаждение атмосферным воздухом жидких сред, и может быть использовано в химической, нефтехимической, энергетической и других отраслях промышленности.
Известны аппараты воздушного охлаждения (АВО) горизонтального, зигзагообразного и шатрового типов [1], включающие теплообменные секции с оребренными трубами, камеры для ввода и вывода охлаждаемого потока, диффузор, вентилятор с электродвигателем, жалюзи для прохода и регулирования расхода охлаждающего потока воздуха. Недостатками данных АВО являются неравномерности распределения расходов охлаждаемого потока в трубах теплообменных секций и охлаждающего потока воздуха по площади поперечного сечения теплообменных секций, что ухудшает теплопередачу через стенки оребренных труб и отрицательно сказывается на эффективности устройств. К недостаткам известных АВО относятся также высокое аэродинамическое сопротивление рядов оребренных труб в теплообменных секциях, большие габариты, вес, металлоемкость устройств, значительные удельные капитальные затраты на их изготовление и эксплуатацию. Требуется большая площадь для размещения АВО на эксплуатационной площадке. Ремонт теплообменных секций является трудоемкой и сложной операцией с привлечением грузоподъёмных механизмов.
Известен аппарат воздушного охлаждения [2] с поверхностью теплопередачи из оребренных вертикально ориентированных труб в теплообменных секциях. Аппарат [2] занимает меньшую площадь размещения на эксплуатационной площадке, имеет лучшую ремонтопригодность, но в разной степени ему присущи те же недостатки, что и известным устройствам [1], названным выше.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является аппарат воздушного охлаждения, включающий попарно соединенные между собой гофрированные пластины, образующие чередующиеся между собой каналы для прохода охлаждающего потока воздуха и охлаждаемого продукта, коллекторные камеры, вентилятор с электродвигателем [3] – прототип. Количество переданного тепла на единицу массы теплопередающей поверхности в устройстве [3] больше, а аэродинамическое сопротивление меньше, чем в известных АВО [1, 2] с оребренными трубами. Устройство [3] более компактное и менее металлоемкое.
Недостатком известного устройства [3] является технологическая сложность герметичного соединения пластин с коллекторными камерами. Устройство [3], как и другие известные АВО [1,2], работает по схеме движения теплоносителей «перекрестный ток». Это ограничивает возможности охлаждать продукт до низких температур, максимально приближенных к температуре охлаждающего атмосферного воздуха, поступающего в АВО.
Техническая проблема, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в необходимости устранения указанных выше недостатков.
Технический результат заключается в повышении эффективности работы устройства, технологичности его изготовления, в обеспечении возможности охлаждать продукт до температур, близких к температуре поступающего охлаждающего воздуха.
Поставленная проблема решается за счет того, что аппарат воздушного охлаждения, включающий попарно соединенные между собой гофрированные пластины, образующие чередующиеся между собой каналы для прохода охлаждающего воздуха и герметичные каналы для прохода охлаждаемого продукта, коллекторные камеры, вентилятор с электродвигателем, выполнен так, что  герметичные каналы для прохода охлаждаемого продукта соединены отводами  с коллекторными камерами и размещены в кожухе; кожух открыт со стороны входа охлаждающего воздуха, на противоположной стороне кожуха установлены один или несколько вентиляторов с электродвигателем; боковая стенка кожуха выполнена из открывающихся створок; гофры на пластинах в сечении имеют трехугольный или полукруговой профиль; на поверхностях стенок гофрированных пластин, обращенных в каналы для прохода охлаждающего воздуха, имеются элементы дискретной шероховатости в виде выступов или впадин; отводы, соединяющие герметичные каналы для прохода охлаждаемого продукта с коллекторными камерами, выполнены с разъемами.
В отличие от известного устройства [3], наличие отводов, соединяющих герметичные каналы для прохода охлаждаемого продукта с коллекторными камерами, и размещение герметичных каналов в кожухе обеспечивает возможность работы предлагаемого аппарата воздушного охлаждения при противоточном движении теплоносителей и, следовательно, позволяет охлаждать технологический продукт до предельно низких температур, максимально приближенных к температуре охлаждающего атмосферного воздуха.
Предлагаемое конструктивное решение с открытым кожухом со стороны входа охлаждающего воздуха и установкой одного или нескольких вентиляторов с электродвигателем на противоположной стороне кожуха направлено на создание условий для равномерного распределения охлаждающего воздуха по параллельным каналам для его прохода. При этом снижается количество и размеры малопроточных, застойных и вихревых зон во внутреннем воздушном пространстве кожуха, что приводит к уменьшению аэродинамического сопротивления и повышению тепловой эффективности устройства.
Выполнение боковой стенки кожуха из открывающихся створок обеспечивает возможность оперативно проводить осмотр теплопередающих поверхностей, расположенных внутри кожуха, создает удобства при выполнении ремонтных работ и очистки поверхностей от загрязнений.
Выполнение гофр на пластинах с трехугольным или полукруговым профилями в сечении позволяет за счет варьирования и уменьшения поперечных размеров проточных каналов для прохода охлаждаемого продукта, образуемых смежными гофрами на попарно соединенных пластинах, интенсифицировать его теплообмен со стенками пластин. В местах контакта пластин между гофрами пластины могут иметь сварное соединение друг с другом для возможности работы аппарата при высоких давлениях охлаждаемого продукта. В этом случае предпочтительно выполнять гофры с полукруговым профилем. При сравнительно малых давлениях охлаждаемого продукта используются гофры с трехугольным профилем в сечении. Трехугольный профиль позволяет получить большую величину поверхности теплопередачи на единице площади пластины, чем полукруговой профиль, следовательно, он обеспечивает большую компактность устройства.
Наличие элементов дискретной шероховатости в виде выступов или впадин на поверхностях стенок гофрированных пластин, обращенных в каналы для прохода охлаждающего воздуха, интенсифицирует теплообмен потока воздуха.
Выступы выполняются на гофрах пластин как валики, расположенные в направлении перпендикулярном направлению движения потока воздуха. Впадины на гофрах пластин выполняются как круглые, траншейные или эллипсообразные лунки. При движении воздуха элементы дискретной шероховатости генерируют микровихри в пристенном слое потока, которые активизируют процессы переноса в системе «поток теплоносителя – твердая стенка». В результате, увеличивается интенсивность теплопередачи между технологическим продуктом и воздухом, что способствует уменьшению габаритов и массы устройства.
Выполнение отводов, соединяющих герметичные каналы для прохода охлаждаемого продукта с коллекторными камерами, с разъемами создает удобства при эксплуатации устройства, позволяет осуществлять при необходимости быструю замену теплопередающих поверхностей, повышает ремонтопригодность.
Таким образом, отличительные признаки изобретения позволяют решить поставленную техническую проблему.
Сопоставительный анализ заявляемого технического решения с прототипом показывает, что заявляемое устройство соответствует критерию изобретения «новизна».
Конструктивное исполнение известных АВО [1, 2, 3] не позволяет использовать их для работы по наиболее выгодной в теплотехническом отношении противоточной схеме движения теплоносителей.
Все это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию изобретения «существенные отличия».
На фиг. 1 показан общий вид аппарата воздушного охлаждения; на фиг. 2 – сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 – вид В на фиг. 2; на фиг. 4 – разрез герметичного канала для прохода охлаждаемого продукта с отводами; на фиг 5 – сечение Б-Б на фиг. 4.
Аппарат воздушного охлаждения включает в себя попарно соединенные между собой гофрированные пластины 1, образующие чередующиеся между собой каналы 2 для прохода охлаждающего воздуха и герметичные каналы 3 для прохода охлаждаемого продукта. Герметичные каналы 3 соединены отводами 4 и 5 с коллекторными камерами 6 и 7. Отводы 4 и 5 выполнены с разъемами 8. Герметичные каналы 3, отводы 4 и коллекторная камера 6 размещены в открытом со стороны входа охлаждающего воздуха кожухе 9, на другой, противоположной, стороне которого установлены один или несколько вентиляторов 10 с электродвигателями 11. Боковая стенка кожуха 9 выполнена из открывающихся створок 12, оснащенных шарнирами 13. Гофры 14 на гофрированных пластинах 1 имеют в сечении трехугольный (показан на фиг. 5) или полукруговой профили. Расположенные навстречу друг другу гофры 14 образуют систему параллельных прямых или изогнутых проточных канальцев 15 в каждом из герметичных каналов 3 для прохода охлаждаемого продукта. На поверхностях стенок гофрированных пластин 1, обращенных в каналы 2 для прохода охлаждающего воздуха, имеются элементы дискретной шероховатости 16 в виде выступов (показаны на фиг. 4 и 5) или впадин.
Гофрированные пластины 1 изготавливаются из тонколистового металла или пластмассы методом штамповки или вытяжки. Герметичность, необходимые прочность и жесткость каналов 3 для прохода охлаждаемого продукта обеспечиваются путем, например, сварки по периметру и в местах контакта между гофрами 14 попарно соединенных между собой гофрированных пластин 1.
Аппарат воздушного охлаждения работает следующим образом.
При включении вентиляторов 10 с приводом от электродвигателей 11 начинается движение атмосферного охлаждающего воздуха через каналы 2, которые ограничены с боков стенками кожуха 9. Работа вентиляторов 10 на вытяжку воздуха из каналов 2 обеспечивает равномерное распределение потоков воздуха по всем параллельно расположенным каналам 2 без образования в них малопроточных и застойных зон. При противоточном движении теплоносителей охлаждаемый продукт подается в коллекторную камеру 6, откуда через отводы 4 поступает в герметичные каналы 3, образованные попарно соединенными между собой гофрированными пластинами 1. В каждом из герметичных каналов 3 охлаждаемый продукт рассредоточивается по поперечному сечению каналов 3 и проходит через систему параллельных проточных канальцев 15, отдавая тепло в процессе теплопередачи через стенки пластин 1 охлаждаемому воздуху, движущемуся в каналах 2. Из герметичных каналов 3 охлажденный продукт через отводы 5 поступает в коллекторную камеру 7, откуда выводится для использования в объекте назначения. Нагретый охлаждающий воздух из кожуха 9 с помощью вентиляторов 10 выбрасывается в атмосферу, где рассеивается.
Конструкция предлагаемого устройства обеспечивает возможность свободного термического расширения при повышении температуры его конструкционных элементов. Термические расширения частично компенсируются также за счет упругой деформации формы элементов.
Предлагаемый аппарат воздушного охлаждения занимает малую территорию для своего размещения и обеспечивает охлаждение продукта до температуры максимально приближенной к температуре атмосферного воздуха.
Пример исполнения. В аппарате воздушного охлаждения тепловой мощностью 100 кВт охлаждается трансформаторное масло. Расход масла 8,43 кг/с, расход охлаждающего воздуха 4,35 кг/с. Начальные температуры: масла – 75°С; воздуха – 25°С. Герметичные каналы для прохода масла выполнены из попарно соединенных стальных пластин толщиной 0,5 мм с трехугольными гофрами, образующими параллельные проточные канальчики квадратного поперечного сечения со стороной 5 мм. Ширина герметичных каналов составляет 0,3 м, а их высота – 1,8 м. При общем числе параллельно включенных по маслу герметичных каналов 44, они размещены в два ряда, по 22 в каждом ряду. Расстояние между смежными герметичными каналами в рядах, определяющее ширину каналов для прохода воздуха, составляет 26 мм. Габаритные размеры сборки теплопередающей поверхности аппарата - 0,6 х 0,7 х 1,8 м. Теплопередающая поверхность имеет следующие удельные показатели (отнесены к единице передаваемой тепловой мощности): металлоемкость – 2,78 кг/кВт; затраты мощности привода вентилятора – 2,84 Вт/кВт; затраты мощности привода насоса для прокачки масла – 0,153 Вт/кВт; суммарные затраты мощности на прокачку обоих теплоносителей – 2,993 Вт/кВт. Суммарные затраты мощности приводов на единицу площади поверхности теплопередачи – 4,2 Вт/м2.
Для сравнения приведем значения данных удельных показателей для трубчатого, трехходового по трансформаторному маслу охладителя такой же тепловой мощности 100 кВт с петельно-проволочным наружным оребрением труб и с кольцевыми диафрагменными выступами внутри труб, интенсифицирующими теплообмен (см. книгу: Кунтыш В.Б., Бессонный А.Н., Дрейцер Г.А., Егоров И.Ф. Примеры расчетов нестандартизованных эффективных теплообменников. - СПб.: Недра, 2000. с. 50 – 65): металлоемкость труб поверхности теплопередачи – 2,064 кг/кВт; затраты мощности на прокачку воздуха – 23 Вт/кВт; затраты мощности на прокачку масла – 26,5 Вт/кВт; суммарные удельные затраты мощности на прокачку теплоносителей – 49,5 Вт/кВт и 365 Вт/м2.
Из сравнения численных значений приведенных удельных показателей следует, что предлагаемый аппарат воздушного охлаждения обладает лучшими характеристиками.
Предлагаемое устройство имеет следующие преимущества по отношению к известным АВО:
- конструкция проста и технологична;
- компактность, уменьшенная материалоемкость;
- высокая ремонтопригодность;
- высокая степень унификации;
- противоточное движение теплоносителей;
- легкость очистки поверхностей теплопередачи со стороны подачи охлаждающего воздуха;
- высокая интенсивность теплопередачи;
- уменьшенное аэродинамическое сопротивление;
- охлаждение технологического продукта до температуры, максимально приближенной к температуре охлаждающего атмосферного воздуха;
- повышенная теплотехническая эффективность за счет высокой равномерности распределения расходов теплоносителей по проточным каналам.
Источники информации
1. Скобло А.И., Трегубова И.А., Молоканов Ю.К., Процессы и аппараты нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. М.: Химия, 1982. с. 501.
2. Патент RU № 2075714, МПК F 28D 1/04, опубл. 20.03.1997.
3. Патент RU № 2549059, МПК F 28D 1/00, опубл. 20.04.2015.