ТЕПЛООБМЕННЫЙ АППАРАТ ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ
AIR COOLING HEAT EXCHANGE UNIT

Предлагаемое техническое решение относится к теплообменным аппаратам и может быть использовано для нагрева, охлаждения жидкостей и газов. Предлагаемый теплообменный аппарат (теплообменник) предназначен для нагревания протекающей внутри теплообменных труб жидкости в потоке горячих газов (воздуха).
Для нагрева или охлаждения жидких и газообразных продуктов применяются теплообменники различных типов и используются в различных отраслях промышленности. Используя газ, пар, воду при различных температурах можно нагревать или охлаждать теплоноситель до заданной температуры. Наиболее распространенным типом являются трубчатые теплообменники, которые состоят из трубчатых элементов, соединенных в одну проточную систему.
Известны трубчатые теплообменники, применяемые для охлаждения промышленных газов, выполненные из ряда вертикальных трубчатых элементов, расположенных в корпусе и объединенных в секции (См., например, авт. св. №105126 от 17.10.1952). Известные теплообменники имеют большие габариты, низкую производительность, неудобны и сложны в изготовлении и эксплуатации.
Известны трубчатые теплообменники, содержащие множество теплообменных трубчатых элементов, объединенных в секции (см., например, патент RU №2210045, опубл. 10.12.2003 г., кл. МПК F28F 9/00). В указанном теплообменнике трубчатые элементы образуют панели, установленные с просветом друг относительно друга. Трубчатые элементы закреплены на трубных досках, а между собой соединены с помощью дистанционирующих элементов. Теплообменник такой конструкции имеет большие габариты, неравномерное охлаждение. Секции работают параллельно, а это приводит к температурным пульсациям, неравномерности температур циркулирующих потоков, что снижает тепловую эффективность.
Известны многосекционные трубчатые теплообменники, содержащие теплообменные трубчатые элементы, на концах которых установлены коллекторы. Секции расположены параллельно друг другу и последовательно соединены с помощью трубчатого колена, (см., например, патент RU №2294503, опубл. 27.02.2007 г., кл. МПК F28D 7/16). Данный многосекционный теплообменник предназначен для нагревания протекающей внутри труб жидкости в потоке горячих газов и состоит из секций, включающих прямолинейные теплообменные трубы, на концах которых установлены коллекторы. Коллекторы соединены последовательно с помощью трубчатых колен.
Недостатком такой конструкции является неравномерность температурного поля циркулирующих теплоносителей, проблематичность компенсации тепловых расширений при достаточно высоких параметрах охлаждаемого газа и невозможность отключения секции теплообменника в случае ее разгерметизации.
По наибольшему числу общих признаков и достигаемому результату многосекционный теплообменник по патенту RU №2294503 выбираем за прототип.
Технической задачей является создание теплообменного аппарата, позволяющего обеспечить равномерность температурного поля циркулирующих теплоносителей и их воздействие на элементы конструкции аппарата.
Решение поставленной технической задачи дает возможность повысить тепловую эффективность теплообменника, надежность и ресурс.
Задача решается тем, что в теплообменном аппарате воздушного охлаждения, содержащем корпус, в котором размещены теплообменные трубы, объединенные коллекторами в секции, расположенные параллельно друг другу вдоль корпуса, часть теплообменник труб секции верхними концами объединена раздающими коллекторами, а другая часть собирающими коллекторами, причем секции установлены так, что коллектора смежных секций развернуты относительно друг друга на 180°, кроме того, аппарат снабжен каскадом распределительных коллекторов, расположенных в два яруса над корпусом аппарата и соединенных подводящими и отводящими трубами с соответствующими коллекторами секций. Между коллекторами соседних секции установлены разделительные перегородки, а в теплообменные трубы со стороны раздающих и собирающих коллекторов установлено дросселирующее устройство.
Корпус снабжен дренажным штуцером и выравнивающей решеткой, установленной со стороны входа воздуха.
Предложенная конструкция теплообменного аппарата позволяет выравнивать температурное поле циркулирующих теплоносителей, что приводит к повышению тепловой эффективности и выравнивает их воздействие на элементы конструкции аппарата в пределах секции, группы и аппарата в целом. Это осуществимо за счет объединения теплообменных труб внутри секции, расположения коллекторов смежных секций и объединения секций в группы.
Обеспечивается возможность отключения секций теплообменника в случае разгерметизации теплообменных трубок, а также упрощается процедура обнаружения течи и отключения негерметичных секций.
Суть технического решения поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 изображен общий вид теплообменного аппарата;
на фиг. 2 изображен разрез А-А фиг. 1;
на фиг. 3 изображен выносной элемент Б фиг. 1;
на фиг. 4 изображен выносной элемент В фиг. 1.
Теплообменный аппарат состоит из теплообменных труб 1, образующих теплообменную поверхность и размещенных в корпусе 2, имеющем патрубок 3 входа горячего воздуха и патрубок 4 выхода охлажденного воздуха. Теплообменные трубы 1 объединены коллекторами 5, 6 и 7 в секции, которые установлены вдоль корпуса параллельно друг другу. Верхние концы части теплообменных труб 1 в пределах секции закреплены в коллекторе 5, а другой части в коллекторе 6. Нижние концы теплообменных труб 1 закреплены в промежуточном коллекторе 7. Для одной (первой) секции коллектор 5 является раздающим, а коллектор 6 собирающим. Смежные секции установлены так, что коллектора развернуты относительно друг друга на 180°. Следовательно, для теплообменных труб 1 смежной секции коллектор 6 будет являться раздающим, а коллектор 5 собирающим, то есть напротив собирающего коллектора 6 секции будут расположены раздающие коллектора 5 смежных секций.
Над корпусом 2 аппарата в два яруса расположены распределительные коллектора 8 первого яруса и коллектора 9 второго яруса, которые соединены подводящими трубами 10 и отводящими трубами 11 с соответствующими коллекторами 5 и 6 теплообменных секций, образуя при этом группы секций. Первая группа секций соединена подводящими трубами 10 с распределительным коллектором 8 и отводящими трубами 11 с распределительным коллектором 9, который является собирающим для первой группы секций и раздающим для второй группы секций и далее с чередованием групп.
То есть, распределительные коллектора 8 и 9 установлены так, что образован каскад раздающих и собирающих коллекторов, объединяющих теплообменные секции в группы секций параллельно-последовательно, обеспечивая необходимое число последовательных ходов охлаждающего теплоносителя (воды). Количество параллельно-последовательно объединенных секций выбирается в зависимости от требуемых параметров циркулирующих теплоносителей.
Между коллекторами 5, 6, 7 соседних секций установлены перегородки 12 для исключения байпасных протечек воздуха мимо теплообменной поверхности.
В теплообменные трубы 1 в районе раздающих 5 и собирающих 6 коллекторов секций установлено дросселирующее устройство 13 для исключения коллекторного эффекта за счет равномерной раздачи охлаждаемой воды по теплообменным трубам.
Со стороны входа воздуха в аппарате установлена решетка 14, выравнивающая поле скоростей воздуха на входе в теплообменную поверхность.
В нижней части корпус 2 снабжен дренажным штуцером 15, обеспечивающим отвод охлаждающего теплоносителя (воды) в случае разгерметизации теплообменных труб 1 и исключения попадания его в воздушный контур.
Теплообменная поверхность размещена в потоке горячего воздуха, который поступает через патрубок 3 в межтрубное пространство теплообменной поверхности и охлажденный выходит через патрубок 4.
Охлаждающий теплоноситель (вода) поступает во входной коллектор 8 каскада распределительных коллекторов 8 и 9. По подводящим трубам 10 поступает в раздающие коллектора 5 и теплообменные трубы 1 первой группы секций, нагревается и через коллектор 7, собирающие коллектора 6 по отводящим трубам 11 поступает в распределительный коллектор 9 каскада. Далее осуществляется параллельно последовательная циркуляция теплоносителя по теплообменным трубам 1 следующих групп секций и отводится через выходной коллектор 8 каскада.
Выполнение теплообменного аппарата предложенным образом позволяет:
- повысить тепловую эффективность теплообменника за счет выравнивания теплового потока по поперечному сечению теплообменника;
- обеспечить мощность теплообменника путем набора необходимого количества секций, то есть реализовать мощностной ряд однотипных теплообменников с использованием в составе теплообменной поверхности одной элементной базы;
- обеспечить минимальное гидравлическое сопротивление по тракту охлаждающей воды;
- обеспечить компенсацию тепловых расширений теплообменной поверхности относительно корпуса при достаточно высоких температурах охлаждаемого воздуха, за счет подводящих и отводящих труб секций к распределительным коллекторам, расположенным над корпусом теплообменника;
- обеспечить возможность глушения любой негерметичной секции теплообменника за счет возможности отсечения подводящих и отводящих труб к каждой секции;
- минимизировать трудоемкость изготовления теплообменника, за счет возможности изготовления однотипных унифицированных секций в условиях поточного серийного производства с максимальной механизацией и автоматизацией процессов выполнения отдельных деталей, их сборки и контроля.