Воздушный охладитель

Предполагаемое техническое решение относится к теплообменным аппаратам, предназначенным для охлаждения жидких и газовых сред потоков атмосферным воздухом и может найти применение в химической, нефтехимической, атомной, теплоэнергетической, пищевой, фармацевтической промышленностях, а также в экологических процессах.
Известен аппарат воздушного охлаждения газа, состоящий из горизонтально расположенных теплообменных секций коллекторного типа, включающих камеры подвода и отвода охлаждаемого газа, содержащие трубные доски с отверстиями, в которые заделаны концы оребренных труб, осевого вентилятора и диффузора, в котором жестко установлены, по крайней мере, три дефлектора двух типов: S-образный дефлектор для центра теплообменника, состоящий из двух половин, формирующих два оппозитных центральносимметричных воздухозаборных канала, в каждом из которых расположены не менее чем три регулируемые поворотные лопасти, установленные за лопастями и обеспечивая вертикальный выход потока охлаждающего воздуха из поворотных лопастей внутри воздухозаборника [Пат.РФ 26117668 МПК F28D1/00, 2017].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная теплоотдача от наружной поверхности труб к потоку воздуха из-за неравномерности распределения этого потока по длине труб и по рядам труб, установленных на одной высоте и ширине в коллекторах, что снижает производительность.
Известны аппараты воздушного охлаждения горизонтального типа, состоящие из оребренных труб, развальцованных в трубных досках и закрытых крышками со штуцерами для входа и выхода продукта, вентилятора, нагнетающего воздушный поток через диффузор и опорные рамы [Машины и аппараты химических производств: учебное пособие / под общей редакцией А.С. Тимонина - Калуга: Издательство Н.Ф. Бочкаревой, 2008. - 872 с.; стр. 484-485; рис. 6.1, 2.15].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная теплоотдача от наружной поверхности труб к потоку воздуха из-за неравномерности распределения этого потока по длине труб и образованию застойных зон на ребрах, что снижает производительность.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявляемому объекту и принятым за прототип является воздушный охладитель, содержащий трубу-обечайку и спиральный канал, внутри которых расположен стальной гофрированный лист,  для продувания воздуха, и гофры которого параллельны оси спирали, образованной стальными полосами, штуцер для поступления и выхода из спирального канала, прикрепленный к спирали, образованной стальными полосами, и фланец со шпильками [Пат. РФ №2448319, F28D9/04, 2012].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная интенсивность теплоотдачи между теплоносителями в виду неравномерности движении воздуха и образования застойных зон, что снижает производительность.
Техническим результатом предлагаемой конструкции аппарата воздушного охлаждения является увеличение производительности.
Поставленный технический результат достигается тем, что воздушный охладитель содержащий трубу-обечайку, спиральный канал, в котором расположен стальной гофрированный лист, расположенный в спиральном канале с образованием каналов для продувания воздуха, гофры которого параллельны оси спирали, штуцер для поступления и выхода из спирального канала, отличающийся тем, что на входе в трубу-обечайку установлен вентилятор с электродвигателем, а спиральный канал со стальным гофрированным листом закреплены в газораспределительных решетках, установленных на цилиндрических пружинах, упругость витков которых определяется выражением:
(1)
где  - упругость витков одной цилиндрической пружины, Н/м;
π - число Пифагора;
f - частота вращения вентилятора, Гц;
m - масса спирального канала, гофрированного листа и газораспределительной решетки, кг;
N - число пружин.
Закрепление спирального канал со стальным гофрированным листом в газораспределительных решетках, установленных на цилиндрических пружинах, позволит совершать вертикальные вибрации, что интенсифицирует процесс теплопередачи от горячей поверхности спирального канала к воздуху, находящемуся в пространстве стального гофрированного листа, тем самым увеличивая коэффициент теплопередачи, что способствует росту производительности.
Установка цилиндрической пружины с упругостью витков, подчиняющейся выражению (1), и вентилятора с электродвигателем способствует переводу осевых колебаний спирального канала со стальным гофрированным листом в резонансный режим с высокой амплитудой, а такие колебания еще в большей степени интенсифицируют теплоперенос, что способствует росту производительности предлагаемой конструкции воздушного охладителя [Новицкий Б.Г. Применение акустических колебаний в химико-технологических процессах. - М.: Химия, 1983. - 192с.: стр. 111 и 136].
Спиральный канал со стальным гофрированным листом, закрепленные в газораспределительных решетках, образуют пружинный маятник, собственная частота колебаний которого определяется выражением:
(2)
с
Если m - масса спирального канала, гофрированного листа и газораспределительной решетки, то упругость витков цилиндрической пружины, обеспечивающей собственную частоту колебаний ν, исходя из уравнения (2) описывается выражением:
(3)
с
При частоте вращения f вентилятора, совпадающей с собственной частотой колебаний ν, происходит резонансный режим вибрации спирального канала со стальным гофрированным листом, закрепленных в газораспределительной решетке с высокой амплитудой [Яворский В.М, Детлаф А.А. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов. - М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1963. - с. 510].
На чертеже изображена схема предлагаемой конструкции воздушного охладителя.
Воздушный охладитель состоит из трубы-обечайки 1, спирального канала 2, крышки 3, в которой установлены патрубки отвода воздуха 4, гофрированный лист 5, и цилиндрических пружин 6 с упругостью витков , подчиняющихся выражению (1). Спиральный канал 2 снабжен на входе штуцером 7 и на выходе штуцером 8. Труба-обечайка 1 в нижней части соединена с диффузором 9, внутри которого закреплен вентилятор 10 с электродвигателем 11. Лапы опоры 12, поддерживающие всю конструкцию установлены на диффузоре 9. Газораспределительные решетки 13 и 14 жестко фиксируют спиральный канал 2 и гофрированный лист 5.
Воздушный охладитель работает следующим образом.
с
Внутрь корпуса 1 снизу через диффузор 9 под газораспределительную решетку 13 подается воздух вентилятором 10, который приводится во вращение электродвигателем 11 с частотой f. Горячий теплоноситель через штуцер 7 подается в спиральный канал 2 и покидает его через штуцер 8. Газораспределительные решетки 13 и 14, спиральный канал 2, гофрированный лист 5 совершают продольные колебания в резонансном режиме с большой амплитудой, в виду того, что частота вращения f вентилятора 10 совпадает с собственной частотой колебаний ν, пружинного маятника, образованного цилиндрическими пружинами 6 и общей массой m, находящейся на ней. Отработанный воздух уходит по патрубкам 4.
Пример. Пусть масса спирального канала 2, гофрированного листа 5 и газораспределительных решеток 13 и 14 составит m=500 кг, а частота вращения вентилятора f =45, Гц.
6
Согласно выражению (1) определим число N цилиндрических пружин 6, приняв упругость витков каждой из них =2·10 Н/м:
в этом случае собственная частота колебаний спирального канал 2 и стального гофрированного листа 5, закрепленных в газораспределительных решетках 13 и 14, в совокупности образующие пружинный маятник, согласно выражению (3) составит:
Таким образом, установка на цилиндрические пружины 6 газораспределительных решеток 13 и 14, спирального канала 2 и гофрированной ленты 5 при выполнении условия (1) для упругости витков цилиндрической пружины 6 обеспечивает резонансный режим вертикальных колебаний с высокой амплитудой, что увеличивает скорость теплообменных процессов, а значит, увеличивает основное время работы аппарата, связанное с процессом теплообмена и в целом способствует росту производительности.