ТЕПЛООБМЕННИК
HEAT EXCHANGER

Изобретение относится к теплообменнику с корпусом, имеющим первичное впускное подключение, первичное выпускное подключение, вторичное впускное подключение и вторичное выпускное подключение, причем между первичным впускным подключением и первичным выпускным подключением расположен первичный путь потока первичной стороны, а между вторичным впускным подключением и вторичным выпускным подключением расположен вторичный путь потока вторичной стороны, причем первичный путь потока находится в теплообменном контакте с вторичным путем потока, и теплообменник имеет по меньшей мере одно вспомогательное устройство управления, которое расположено в первичном пути потока и во вторичном пути потока.
Такой теплообменник известен, например, из ЕР 608195 B1. Внутри корпуса известного теплообменника встроен температурный датчик, который измеряет температуру как в первичном, так и во вторичном пути потока. При этом температурный датчик находится в цилиндрической трубе и соединен с клапаном за пределами корпуса.
Теплообменники используются для того, чтобы переносить термическую энергию с первичной среды на вторичную среду, не смешивая при этом обе эти среды. При этом, например, первая среда - вода системы централизованного теплоснабжения, а вторая среда - вода питьевого качества. Также по меньшей мере одна среда может быть газом. Для уменьшения габаритов теплообменника вспомогательные устройства управления, например, такие как датчики, которые необходимы для работы теплообменника, встраивают в теплообменник.
Однако в результате этого образуются слабые места внутри теплообменника. Если в теплообменник встроены такие вспомогательные устройства управления, как датчики, которые одновременно расположены в двух путях потока, отделенных друг от друга, то возникают места пересечения на прорывах от одного пути потока к другому пути потока. Таким образом, существует возможность, что обе среды вступят в контакт и невольно смешаются. Это происходит, например, в случае, если одна из точек пересечения негерметична.
В основу изобретения положена задача улучшить конструкцию теплообменника.
Эта задача для раскрытого выше теплообменника решена за счет того, что вспомогательное устройство управления проходит через промежуточное пространство, которое расположено между первичным путем потока и вторичным путем потока.
Переходные участки, а тем самым и места пересечения между первичным путем потока и вторичным путем потока изолированы друг от друга. Это обеспечивается за счет того, что первичный путь потока и вторичный путь потока соответственно граничат с промежуточным пространством. Промежуточное пространство находится между первичной и вторичной сторонами теплообменника. Это касается, по меньшей мере, той части теплообменника, в которой вспомогательное устройство управления расположено в первичном пути потока и во вторичном пути потока. Первичный путь потока и вторичный путь потока в этой части теплообменника находятся на расстоянии друг от друга. Вспомогательное устройство управления при этом проходит через промежуточное пространство и тем самым одновременно располагается в трех областях, а именно - в промежуточном пространстве и в областях справа и слева от промежуточного пространства. Вспомогательные устройства управления используются при этом для управления или регулирования теплообменника и действуют, например, механически или термически. Также возможна прокладка электрических проводов, которые проходят к устройству внутри теплообменника. Если уплотнение между первичным путем потока и промежуточным пространством или между вторичным путем потока и промежуточным пространством станет негерметичным, то промежуточное пространство сыграет роль места сбора протечек. Это означает, что теплоноситель, случайно выходящий из первичного пути потока или вторичного пути потока, собирается в определенном месте. Таким образом предотвращаются большие повреждения теплообменника. Также промежуточное пространство обеспечивает, что жидкости первичной и вторичной стороны не контактируют друг с другом, так как ситуация, в которой место пересечения первичного пути потока и промежуточного пространства и место пересечения вторичного пути потока и промежуточного пространства одновременно станут негерметичными, невозможна. Благодаря возможности сбора протечек в промежуточном пространстве работа теплообменника становится безопаснее и надежнее. В промежуточном пространстве можно, например, расположить контрольный датчик, который фиксирует вход жидкости в промежуточное пространство. После этого могут быть приняты дополнительные меры, которые предотвратят большие протечки, например блокировка подводящих и отводящих трубопроводов.
Особенно предпочтительно, если промежуточное пространство имеет выход в окружающую среду вокруг корпуса. Таким образом, промежуточное пространство может иметь малый объем. Тогда объем промежуточного пространства может быть рассчитан только для небольших объемов протечки, так как в случае сбоя в работе теплоносителя можно перенаправить наружу. Размеры теплообменника с промежуточным пространством ненамного больше размеров теплообменника без такого промежуточного пространства. Если в промежуточное пространство проникает теплоноситель, то например, благодаря своему теплу и прилегающим нагретым первичной и вторичной стороне он может испариться. Например, протечки происходят, если температура жидкости в первичном трубопроводе поднимается выше, чем предусмотрено. Теплоноситель расширяется по причине повышенной температуры и требует большего пространства. В слабом месте, например уплотнении, теплоноситель пытается вытечь. Расположение промежуточного пространства задает жидкости место протечки. Промежуточное пространство принимает теплоноситель и одновременно снимает избыточное давление, вызванное теплоносителем. Промежуточный участок снимает нагрузку с остальных участков теплообменника за счет того, что промежуточное пространство имеет выход в окружающую среду вокруг корпуса, поэтому избыточное давление может выходить. Хотя при этом утрачивается немного жидкости, однако больше нет опасности, что повышение давления затронет другие участки теплообменника.
Предпочтительным образом промежуточное пространство по крайней мере частично ограничивается корпусом. Таким образом, корпус закрывает, по меньшей мере, часть первичного и часть вторичного пути потока и промежуточное пространство. Например, промежуточное пространство на других своих стенах, которые образованы не корпусом, может быть ограничено стенами первичного или вторичного пути потока. Поэтому без больших затрат материала обеспечивается промежуточное пространство.
Особенно предпочтительно, если промежуточное пространство имеет по меньшей мере одно отверстие, которое расположено в корпусе. Соответственно промежуточное пространство граничит непосредственно с корпусом и имеет по меньшей мере одно отверстие, которое соединяет промежуточное пространство с окружающей средой наружу. Таким образом, не требуются каналы, которые могут препятствовать стоку или испарению вытекшего жидкости.
Предпочтительно, чтобы вспомогательное устройство управления представляло собой первый толкатель первого клапана. Первый клапан тем самым является встраиваемым клапаном, так как он по крайней мере частично расположен внутри теплообменника. Таким образом обеспечивается компактная конструкция теплообменника. Первый клапан толкателя при этом, по меньшей мере, в одном рабочем положении расположен одновременно в первичном и вторичном путях потока, а также на промежуточном участке.
Согласно предпочтительному варианту реализации изобретения первый клапан расположен в области вторичного впускного подключения. Клапан, например, вставляют снаружи через вторичное впускное подключение в корпус теплообменника и соединяют с корпусом резьбовым соединением, чтобы не допустить его выпадения. Тем самым первый клапан можно легко заменить, а при возникновении избыточного давления жидкости он достаточно надежно зафиксирован. Также первый клапан имеет меньшую термическую нагрузку, так как с вторичной стороны теплообменника теплоноситель нагревается за счет теплоносителя первичной стороны, а теплоноситель на вторичном впускном подключении имеет меньшую температуру, чем на вторичном выпускном подключении.
Предпочтительно первичное впускное подключение имеет первое седло первого клапана. Таким образом, можно управлять с помощью первого клапана притоком жидкости в первичном впускном подключении. Это особенно просто, если первичное впускное подключение и вторичное выпускное подключение расположены друг напротив друга, и подключения соединены вдоль прямой. Например, первое седло клапана расположено стационарно в корпусе в первичном впускном подключении, и одновременно при закрытом первом клапане первичного впускного подключения герметично закрывает его. Первый затвор первого клапана, который взаимодействует с седлом клапана, с практической точки зрения может обеспечивать протекание через первичное впускное подключение насквозь.
Целесообразно, чтобы первый клапан имел мембрану, которая контактирует с теплоносителем вторичного пути потока. Мембрана реагирует практически безынерционно на установленные изменения давления во вторичном впускном подключении. Соответственно первый клапан имеет малую скорость реакции.
Предпочтительным образом первый толкатель клапана может быть приведен в действие мембраной. Таким образом, практически безынерционная реакция мембраны используется также и для толкателя клапана. Благодаря этому можно практически без задержек влиять на поток жидкости в первичном пути потока в зависимости от потока жидкости во вторичном пути потока.
Предпочтительно вспомогательное устройство управления представляет собой температурный датчик. Преимуществом для безопасной работы теплообменника также является возможность измерения температуры жидкости внутри теплообменника. Тогда есть возможность на основании измеренной температуры сделать конструкцию теплообменника надежнее. Например, это делается за счет контроля температуры жидкости в теплообменнике. При слишком высокой температуре жидкости принимаются меры, чтобы защитить пользователя от ожогов. Также благодаря встроенному температурному датчику внутри корпуса эффективнее используются пространственные параметры теплообменника.
Предпочтительно температурный датчик соединен с промежуточным пространством по пути жидкости. Температурный датчик может, например, использовать промежуточное пространство как отправную точку для измерения температуры. Также температурный датчик может растягиваться при термическом расширении внутрь промежуточного пространства. Таким образом, при нагревании не требуется дополнительное пространство и предотвращается повышение давления по причине расширения материала температурного датчика. Промежуточное пространство также может служить для компенсации давления.
Предусмотрено, что температурный датчик имеет сильфон, причем внутренняя часть сильфона ограничена корпусом датчика и внутренняя часть сильфона соединена с промежуточным пространством. Сильфон является подвижной частью температурного датчика, который по причине изменений температуры изменяет свою геометрию. За счет соединения внутренней части сильфона с промежуточным пространством на геометрию подвижного сильфона влияет только температура материала, способного к расширению, в корпусе датчика. Корпус датчика в отличие от внутренней части сильфона не имеет соединения с еще одним пространством и закрыт. При такой конструкции измерение влияния первичного или вторичного пути потока с помощью температурного датчика может быть выполнено независимо, хотя температурный датчик одновременно расположен в обоих путях потока и эти пути потока обычно имеют различные температуры.
Особенно предпочтительно, чтобы температурный датчик был соединен со вторым толкателем второго клапана. Температурный датчик может благодаря этому действовать непосредственно на второй клапан. Второй толкатель клапана расположен по меньшей мере частично внутри корпуса. За счет этого обеспечивается, что пространство для движения второго толкателя клапана не зависит от внешней геометрии второго клапана.
Предусмотрено, что второй клапан расположен в области первичного выпускного подключения. В первичном выпускном подключении теплоноситель первичной стороны имеет более низкую температуру, чем в первичном впускном подключении. Термическая нагрузка второго клапана поддерживается, таким образом, минимальной. Если первичное выпускное подключение расположено напротив вторичного выпускного подключения, то в зависимости от измеренной температуры в области вторичного подключения можно просто задействовать второй клапан.
Предпочтительно второй клапан имеет возвратную пружину, которая прижимает затвор ко второму седлу клапана и при этом закрывает первичное выпускное подключение. Возвратная пружина оказывает противодействие силе, которая оказывается под действием протекающей жидкости первичного пути на затвор. Когда противодействующая сила возвратной пружины преодолевается, второй клапан находится в положении открытия. Силу противодействия возвратной пружины можно регулировать, благодаря чему второй клапан можно привести в соответствие с различными условиями срабатывания.
Особенно предпочтительным является то, что теплообменник имеет теплообменные пластины, причем на первом участке первичный и вторичный пути потока расположены параллельно друг другу, а на втором участке первичный и вторичный пути потока расположены диагонально относительно друг друга. При таком расположении путей потока можно одновременно эксплуатировать встроенный температурный датчик, первый и второй клапан, которые соответственно по меньшей мере частично расположены внутри корпуса. Для этого предусмотрено, что первичное впускное подключение расположено напротив вторичного впускного подключения и одновременно первичное выпускное подключение расположено напротив вторичного выпускного подключения. Чем больше количество теплообменных пластин, тем больше тепла теплообменник может отдать за одну единицу времени.
Например, это обеспечивает преимущество, если теплообменник предусмотрен для системы отопления помещения.
Далее изобретение раскрыто подробнее с помощью предпочтительных вариантов реализации с прилагаемыми чертежами. На чертежах показаны:
фиг.1 - схематичное сечение теплообменника с первым клапаном,
фиг.2 - схематичный разрез теплообменника с встроенным температурным датчиком,
фиг.3 - схематичный вид теплообменника с несколькими теплообменными пластинами и
фиг.4 - пример реализации теплообменника с первым клапаном и встроенным температурным датчиком, который взаимодействует со вторым клапаном в разрезе.
Фиг.1 схематически представляет сечение теплообменника 1 с корпусом 2, который имеет первичное впускное подключение 3, первичное выпускное подключение 4, вторичное впускное подключение 5 и вторичное выпускное подключение 6. Между первичным впускным подключением 3 и первичным выпускным подключением 4 расположен первичный путь 7 потока первичной стороны 8, а между вторичным впускным подключением 5 и вторичным выпускным подключением 6 расположен вторичный путь 9 потока вторичной стороны 10. На сечении фиг.1 пути 7, 9 потоков видны только частично. Направление потока показано стрелками 11. Теплоноситель первичной стороны 8 входит через первичное впускное подключение 3 и выходит через первичное выпускное подключение 4. Соответственно теплоноситель вторичной стороны 10 входит через вторичное впускное подключение 5 и выходит через вторичное выпускное подключение 6. Внутри теплообменника 1 теплоноситель первичной стороны 8 отдает тепло жидкости вторичной стороны 10, за счет чего теплоноситель вторичной стороны 10 нагревается. Следовательно, теплоноситель первичной стороны 8 на первичном впускном подключении 3 теплее, чем на первичном выпускном подключении 4. Теплоноситель вторичной стороны 10 на вторичном впускном подключении 5 холоднее, чем на вторичном выпуском подключении 6.
Теплообменник 1 на фиг.1 имеет первый участок 12, второй участок 13 и третий участок 14. Первый участок 12 проходит от стороны корпуса 2 с первичным выпускным подключением 4 и вторичным впускным подключением 5 до третьего участка 14. Второй участок 13 проходит от стороны корпуса 2 с первичным впускным подключением 3 и вторичным выпускным подключением 6 до третьего участка 14 в первичном пути 7 потока на втором участке 13. Первый толкатель 15 клапана является частью первого клапана 16, который расположен на вторичном впускном подключении 5 и частично заходит внутрь корпуса 2. Первый клапан 16 является встраиваемым клапаном, который имеет мембрану 17, действующую на первый толкатель 15 клапана. Кроме того, на первый клапан 16 можно воздействовать снаружи, например, создав связь с первичным впускным подключением 3 или вторичным выпускным подключением 6, которое действует на устройство приведения первого клапана 16 в действие.
Первый толкатель 15 клапана на фиг.1 имеет первый затвор 18, расположенный на стороне, противоположной вторичному впускному подключению 5. Первый затвор 18 взаимодействует с первым клапанным седлом 19, которое расположено в первичном впускном подключении 3. Первичное и вторичное впускные подключения 3, 5 расположены друг напротив друга на корпусе 2, поэтому первый толкатель 15 клапана расположен на прямой соединительной линии между первичным и вторичным впускным подключением 3, 5 с возможностью осевого движения.
Третий участок 14 в корпусе 2 теплообменника 1 имеет промежуточное пространство 20, которое частично принимает толкатель 15 клапана. Для уплотнения первичной стороны 8 с первичным путем 7 потока относительно промежуточного пространства 20 и вторичной стороны 10 с вторичным путем 9 потока относительно промежуточного пространства 20 используются соответственно уплотнения 21. Уплотнения 21 одновременно направляют первый толкатель 15 клапана, поэтому никакие другие подшипники на стыках границ участков 12, 13, 14 не требуются. Промежуточное пространство 20 на третьем участке 14 имеет прямой выход в окружающую среду вокруг корпуса 2. Для этого промежуточное пространство имеет отверстие 22, которое одновременно является пробоем корпуса 2.
Когда теплоноситель течет по вторичному пути 9 потока, то первичный путь 7 потока в определенной степени открывается под действием мембраны 17. Если во время работы одно из уплотнений 21 становится негерметичным, то теплоноситель течет в промежуточное пространство 20 и там испаряется по причине высоких температур в промежуточном пространстве 20 или выходит из отверстия 22. Благодаря этому предотвращается, что теплоноситель первичной или вторичной стороны 8, 10 смешивается с теплоносителем вторичной или первичной стороны 10, 8, и таким образом, например, не возникает загрязнения жидкости. Промежуточное пространство 20 также предотвращает, чтобы с первичной стороны 8 на вторичную сторону 10 или наоборот передавалось давление в случае нарушения работы. Первичная сторона 8 и вторичная сторона 10 тем самым отделены друг от друга и не влияют друг на друга при негерметичности из-за ограничительных стен 23, 24 первого участка 12 и второго участка 13, расположенных на расстоянии друг от друга и с расположенным между ними третьим участком 14.
На фиг.2 представлен схематичный вид в разрезе еще одного теплообменника 25 с встроенным температурным датчиком 26. Температурный датчик 26 проходит в осевом направлении от первичного пути 7 потока на первом участке 12 по промежуточному пространству 20 на третьем участке во вторичный путь 9 потока на втором участке теплообменника 25. Температурный датчик 26 имеет сильфон 27, который может изменять свою осевую протяженность, и содержит газ. Температурный датчик имеет корпус 28 датчика, который имеет расширяемую среду, соединенную термически с точкой 29 измерения температурного датчика и реагирующую на изменения температуры в области вторичного выпускного подключения 6. Точка 29 измерения заходит во вторичное выпускное подключение 6 и измеряет там температуру жидкости вторичной стороны 10.
Корпус 28 температурного датчика 26 закрыт и действует на наружную поверхность сильфона 27. Внутренняя часть сильфона 27 соединена по пути жидкости с промежуточным пространством 20 третьего участка 14, который опять же имеет выход наружу через отверстие 22. Эти соединения внутренней части сильфона 27 с окружающей средой вокруг корпуса 2 не допускают, чтобы на температурный датчик 26 влияла температура первичного пути 7 потока. При нагревании первичного пути 7 потока на первом участке 12 давление во внутренней части сильфона 27 возросло бы без дальнейших действий.
Если бы внутренняя часть сильфона 27 была закрыта, то расширяемый материал, здесь газ, внутри сильфона 27 набирал бы давление, которое влияло бы на геометрию сильфона 27 и также на второй клапан 30. Это нежелательно и не допускается за счет соединения с промежуточным пространством 20 и еще одного выхода в окружающую среду. Возникающее увеличение давления внутри сильфона 27 избегается за счет того, что газ, находящийся внутри сильфона 27, может без всяких ограничений расширяться. Таким образом, обеспечивается, что на геометрию сильфона 27 влияет только температура расширяемого материала в корпусе 28 датчика и измерение температуры выполняется точно.
Со стороны, противоположной вторичному выпускному подключению 6, на фиг.2 расположено первичное выпускное подключение 4, которое имеет второй клапан 30 со вторым толкателем 31 клапана. Второй толкатель 31 клапана соединен с температурным датчиком 26 на первом осевом конце, а с возвратной пружиной 32 - на втором осевом конце. На втором толкателе 31 клапана в области первичного выпускного подключения 4 расположен второй затвор 33, который взаимодействует со вторым седлом 34 второго клапана 29. Второй клапан 29 находится в положении закрытия, если возвратная сила возвратной пружины 32 больше силы противодействия температурного датчика 26. В положении закрытия второго клапана 30 поток жидкости по первичной стороне 8 теплообменника 25 прерывается.
С помощью теплообменника 25 на фиг.2 можно управлять первичным выпускным подключением 4 в зависимости от температуры жидкости во вторичном выпускном подключении 6. Благодаря противоположному расположению первичного выпускного подключения 4 и вторичного выпускного подключения 6 со вторым клапаном 30 на первичном выпускном подключении 4 и температурным датчиком 26 внутри корпуса 2 возможна быстрая реакция в первичном выпускном подключении. Теплообменник 25 за счет этого становится надежным и реагирует практически без задержки на высокие температуры жидкости на вторичном выпускном подключении 6.
Фиг.3 показывает схематичный вид еще одного теплообменника 35 с несколькими теплообменными пластинами 36 внутри корпуса 2. Теплообменные пластины 36 расположены соответственно на первом участке 12 и на втором участке 13, причем на фиг.3 первый участок расположен по осевой справа от третьего участка 14, а второй участок 13 по осевой слева от третьего участка 14. Соседние первичные и вторичные пути 7, 9 потоков проходят по первому участку 12 параллельно относительно друг друга, а на втором участке 13 по диагонали относительно друг друга. На третьем участке 14 расположено промежуточное пространство 20. Там первичные и вторичные пути 7, 9 потоков проходят параллельно друг другу, однако примерно под прямым углом относительно первичного и вторичного пути 7, 9 потоков на первом и втором участке 12, 13. На фиг.3 первичные и вторичные пути 7, 9 потоков проходят на первом и втором участке 12, 13 вертикально, а на третьем участке 14 - горизонтально. Теплообменные пластины 36 первичной стороны 8, по которым проходит теплоноситель первичной стороны 8, расположены поочередно с теплообменными пластинами 36 вторичной стороны 10, по которым проходит теплоноситель вторичной стороны 10. На первом участке 12 первичное выпускное соединение 4 и вторичное впускное соединение 5 расположены на корпусе 2. На втором участке 13 на корпусе 2 расположены первичное впускное подключение 3 и вторичное выпускное подключение 6. Теплообменник 35 на фиг.3 может быть выполнен, как описано выше на фиг.1 и 2.
Согласно расположению по фигуре 3 также можно одновременно встраивать вспомогательные устройства управления теплообменника 1 и теплообменника 25. При этом первый клапан 16 пространственно расположен между первичным впускным подключением 3 и вторичным впускным подключением 5. Одновременно температурный датчик 26 расположен между вторичным выпускным подключением 6 и первичным выпускным подключением 4, причем температурный датчик 26 действует на второй клапан 30 на первичном выпускном подключении 4. Это показано на фиг.4.
На фиг.4 представлен еще один пример реализации теплообменника 37. Теплообменник 37 представляет собой комбинацию теплообменника 1 с фиг.1 и теплообменника 25 с фиг.2 с расположением теплообменных пластин 36 и путей 7, 9 потоков по фиг.3. Теплообменник 37 тем самым имеет как управление и регулировку температуры, так и управление и регулировку давления. Имеется ли управление и регулировка, зависит от приведения первого и второго клапана 16, 30 в действие снаружи.
На фиг.4 первый клапан 16 здесь выполнен как пропорциональный клапан. Между первым участком 12 и вторым участком 13 расположены цилиндры 38, которые создают зазор между первым участком 12 и вторым участком 13. За счет этого возникает третий участок 14 с промежуточным пространством 20, которое имеет выход в окружающую среду вокруг корпуса 2 за пределы теплообменника 37.
Когда теплоноситель течет по вторичному пути 9 потока, то под действием силы протекающей жидкости на мембрану 17 в первом клапане 16 первичный путь 7 потока в определенной степени открывается. Теплообменник реагирует практически безынерционно на изменения во вторичном впускном подключении 5 при одновременном изменении притока с первичной стороны 8. Если во время эксплуатации в точке 29 измерения температурного датчика 26 получена слишком высокая температура, то температурный датчик 26 воздействует за счет изменения своего сильфона 27 по причине расширения расширяемого материала внутри корпуса 28 датчика на второй клапан 30. Второй клапан 30 в этом случае дросселируется или полностью закрывается. Таким образом, избегается чрезмерное повышение температур на выходе жидкости с вторичной стороны 10.