ТРУБЧАТАЯ СПИРАЛЬ И ТЕПЛООБМЕННОЕ УСТРОЙСТВО С ЕЁ ПРИМЕНЕНИЕМ
TUBULAR SPIRAL AND HEAT EXCHANGER WITH IMPLEMENTATION THEREOF

Изобретение относится к теплообменным устройствам и может быть использовано в коммунальном хозяйстве для утилизации тепла серых бытовых стоков (возвращении части их тепловой энергии в подводимую к смесителю либо нагревательному устройству холодную воду); пищевом производстве - пастеризация, охлаждение жидких пищевых продуктов; устройствах для дистилляции, опреснения воды, холодильных аппаратах (конденсаторные, испарительные контуры) и в других целях.
В настоящее время все актуальнее (особенно в нашей стране) становится необходимость экономии тепловой энергии (ТЕПЛООБМЕННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ Л. В. Зысин, А.А. Калютик, СПб, 2010 г., стр. 5) как по причине увеличения ее стоимости, так и ввиду пагубного воздействия ее перепроизводства на экологию планеты. Одним из способов решения данной проблемы служит возврат тепловой энергии бытовых стоков (в частности серых стоков душевых кабин, боксов, умывальников, стиральных машин) в сеть горячего или холодного водоснабжения. Наивысший эффект для решения данной задачи достигается применением устройств с тепловыми насосами, но на сегодня это дорогостоящие и высокотехнологичные как в изготовлении, так и в обслуживании устройства, что ограничивает их применение.
Известны установки для многоквартирных домов
(http://www.slideshare.net/borris76/ss-23652728), возвращающие такую энергию в сеть горячего водоснабжения, но они достаточно дорогостоящи, их использование возможно при строительстве новых зданий, так как требуется прокладка отдельных (от стоков из кухонных моек и унитазов) коммуникаций.
Известен ТЕПЛООБМЕННИК ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛА ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ДУШЕВОЙ ВОДЫ (авторское свидетельство SU 1820163), но он малоэффективен ввиду больших поперечных сечений как внутритрубных, так и межтрубных пространств, отсутствия возможности организации процесса теплообмена в противотоке. Кроме того, такое устройство предусматривает большое количество сварных швов при его изготовлении, что обуславливает низкую технологичность его производства (и, как следствие, завышенную стоимость), невысокий срок службы (из-за возможных дефектов в этих швах). Теплообменник предложено изготавливать из прямоугольных труб, выпускаемых шовными и не предназначенных для водоснабжения.
Известны РЕКУПЕРАТОРЫ ДЛЯ ДУШЕВЫХ КАБИН
(http://smartcomfort.com.ua/product/rekuperator-dlya-dushevoj-kabiny-nela/), (http://izolexpert.ru/teploizolyaciya/rekuperatory-tepla.html), выпускаемые производителями Португалии, Чехии Испании. Эти устройства встраиваются в используемые в бытовых условиях устройства (душевые кабины, боксы, ванные комнаты), но обладают ограниченной (максимально до 50%, а в большинстве случаев менее) эффективностью, в то время как в современных теплообменных устройствах иного назначения эффективность (коэффициент регенерации) достигает 80-95% (ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ А.А. Жижина СПб. 1996 г. стр. 33)
Известны теплообменные устройства различных типов - кожухотрубные, пластинчатые, змеевиковые, погружные, труба в трубе, спиральные. Последние из них, спирального типа, обладают компактными размерами, высокой эффективностью, малым гидравлическим сопротивлением, позволяющим работать с загрязненными, неоднородными средами. Но, имеющие, в большинстве случаев, в своей конструкции спирали из плоских элементов (полоса, лист), герметично разделенные по торцам спирали различными способами - сваркой, прокладками, манжетами, заливкой отвердевающей массой, отгибкой кромок образующего их листового материала сложны в изготовлении по причине необходимости выполнения длинных герметичных швов сложной конфигурации, отчего в них велика вероятность смешивания рабочих сред (между которыми осуществляется процесс теплообмена), а также не позволяют эксплуатацию с большой разницей давлений в межтрубном и внутритрубном пространствах (как по причине ненадежности вышеописанных швов, так и ввиду малой устойчивости плоских элементов, испытывающих, при избыточном давлении напряжение на изгиб). Конструкция таких теплообменников либо не предусматривает возможности их разборки для очистки (хотя бы одного из рабочих пространств), либо это связано с большими трудозатратами. Данные обстоятельства являются причиной ограниченного их применения (ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ А.А., Жижина, СПб. 1996 г., стр. 22-23).
Известен УЛУЧШЕННЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК СПИРАЛЬНГО ТИПА, (RU 2 285216 С2), спираль которого также изготавливается из листового материала. Такой теплообменник более технологичен в изготовлении, допускает возможность разборки для прочистки межтрубного пространства, позволяет эксплуатацию со значительной разницей давлений между рабочими средами, однако требует сложного дорогостоящего специального оборудования для его производства - штамповка, сварка герметичного шва (или швов) на всю длину плоской трубы, (в котором велика вероятность появления производственных дефектов). Изготовление таких теплообменников может быть реализовано лишь при условии массового их производства. Возможны трудности при очистке межтрубного пространства в случае работы с сильно загрязненными жидкостями (например, бытовыми стоками в качестве теплоносителя) ввиду касания выступов элементов жесткости друг с другом (при навивке трубы самой на себя).
Спирали, изготовленные из листового материала, требуют наличия дополнительных элементов (раструбов либо коллекторов) для подключения напорной магистрали к внутритрубному пространству плоской трубы, которые тоже надо соединять с последней посредством сварки либо пайки по поверхности сложной конфигурации.
Известно применение в теплообменных устройствах дугообразного профиля теплообменной трубы (RU 245811, кл. F28F 1/02). В данном случае такой профиль применен в цилиндрическом теплообменном устройстве, изготавливается сварным из плоских элементов и, не имея круглых концов, соединяется с фланцами (коллекторами) по поверхности сложной конфигурации, что создает предпосылки для появления производственных дефектов (как в продольных швах, так и в швах стыковки профиля с фланцами), уменьшающие срок службы изделия, делает теплообменное устройство с таким элементом дорогостоящим изделием.
Наиболее близкое техническое решение по конструкции имеет СПИРАЛЬНЫЙ ТРУБЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК (патент Польши №83524, МКР F28f 1/10). В данном теплообменнике спираль образована из ряда спиралей, изготовленных из трубок малого диаметра круглого сечения (с увеличением диаметра круглой трубы, используемой в качестве теплообменного элемента, эффективность теплообменного устройства падает ввиду увеличения расстояния между теплопередающими поверхностями), установленных одна на другую и соединенных с подающим и выходным коллекторами. Такая конструкция спирали, в отличие от спиралей из листового материала, не требует выполнения герметичных продольных швов, что минимизирует возможность смешивания участвующих в теплообмене сред, позволяет эксплуатацию теплообменника с большой разницей давлений во внутритрубном и межтрубном пространствах.
Однако такая конструкция имеет повышенные материалоемкость (поверхности трубок спирали, касающиеся друг друга либо контактирующие с промежуточным между ними элементом в теплообменном процессе не участвуют), большую трудоемкость изготовления в связи с необходимостью соединения большого числа мелких трубок с коллекторами, необходимости плотной фиксации спиралей одна с другой, что делает такой теплообменник дорогостоящим изделием, недоступным для широкого потребления.
Технической задачей предлагаемого изобретения является упрощение конструкции спирального теплообменного устройства с обеспечением возможности размещения устройства в душевой кабине, боксе и обеспечения легкой доступности для чистки межтрубного пространства, технологичного в изготовлении и долговечного в эксплуатации устройства, для, в частности, утилизации тепла серых бытовых стоков душевых кабин, боксов, ванных комнат, стиральных машин (возврата их тепловой энергии в подводимую к смесителю либо нагревающему устройству холодную воду) применимого, в том числе, в условиях частного домовладения, городской квартиры, по стоимости доступного для массового потребителя, а также увеличения, по сравнению с аналогичными по назначению устройствами (РЕКУПЕРАТОРАМИ ДЛЯ ДУШЕВЫХ КАБИН) эффективности теплообмена (коэффициента регенерации).
Поставленная задача решается следующим образом. Трубчатая спираль, имеющая форму плоской спирали Архимеда с внутритрубным пространством и зазором между витками, образующим межтрубное пространство, по изобретению, имеет дугообразную форму витков в их поперечном сечении и круглые концы, составляющие единое целое с внутренним и наружным витками спирали.
Теплообменное устройство, состоит из не менее одной трубчатой спирали в форме плоской спирали Архимеда с зазором между витками, образующим межтрубное пространство и имеющую элементы соединения ее с внешней магистралью, корпус и крышку с элементами ввода и вывода среды межтрубного пространства, по изобретению, поперечный профиль витков трубчатой спирали имеет дугообразную форму со щелевидными зазорами между стенками, образующими узкие внутритрубное и межтрубное пространства и круглые концы, составляющие единое целое с внутренним и наружным витками спирали, а элементами соединения спирали с внешней подводкой являются штуцеры, вставленные в круглые концы спирали.
Трубчатая спираль имеет на концах внутреннего и наружного витков а, при необходимости, и на других участках, соединительные межвитковые перемычки, обеспечивающие ее жесткость и постоянство межтрубного пространства.
В теплообменном устройстве крышка не соединена с корпусом, а прижата к трубчатой спирали собственным весом либо грузом, установленным на нее, отвод нагретой среды внутритрубного пространства (нагреваемой холодной воды) осуществляется через гибкую подводку между штуцером во внутреннем конце спирали и переходным элементом в крышке, а подвод через штуцер в наружном конце спирали, расположенный за пределами крышки, отвод среды внутритрубного пространства (использованной душевой воды) происходит через патрубок в корпусе, что в совокупности упрощает процесс чистки устройства, которое при этом может служить опорой для душевого поддона.
Теплообменное устройство не имеет корпуса как такового и предназначено для использования в душевых боксах с уже существующими сливными окнами в полу, при этом устройство служит опорой установленному на него душевому поддону, из которого использованная душевая вода попадает в середину спирали, а ее выход происходит из наружной щели межтрубного пространства спирали на пол и сливается по нему в канализацию.
В теплообменном устройстве корпус и крышка имеют выступы, входящие между витками и фиксирующие спираль, а также служащие для перемешивания среды межтрубного пространства.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
- на фиг. 1 изображен дугообразный профиль (поз. 1) с внутритрубным пространством (поз. 2) и круглыми концами (поз, 3), полученный продольной деформацией круглой трубы;
- на фиг. 2 изображена трубчатая спираль в форме плоской спирали Архимеда с дугообразным профилем витков (поз. 1), имеющих внутритрубное пространство (поз. 2), зазор между витками (поз, 4), образующий межтрубное пространство и круглые концы (поз, 3);
- на фиг. 3 (фото) опытный образец трубчатой спирали с дугообразным профилем витков (поз. 1), зазором между ними (поз. 2), круглыми концами (поз. 3), установленными в них штуцерами (поз. 6 и 10) и перемычками между витками (поз. 5);
- на фиг. 4 изображено теплообменное устройство с трубчатой спиралью с дугообразным поперечным профилем витков (поз. 1), присоединенными к ее концам входным (поз. 10) и выходным (поз. 6) штуцерами с уплотнительными кольцами (поз. 17), вставленная в герметично скрепленные друг с другом корпус (поз. 11) с крышкой (поз. 12), имеющую входное (поз. 7) и выходное (поз. 9) отверстия для среды
5
межтрубного пространства и, при необходимости, имеющие уплотнительные элементы (поз. 8);
- на фиг. 5 изображено теплообменное устройство с трубчатой спиралью с дугообразным поперечным профилем витков (поз. 1), присоединенными к ее концам входным (поз. 10) и выходным (поз. 6) штуцерами, вставленная в корпус (поз. 11) и прижатая крышкой (поз. 12), с грузом (поз. 15), имеющая патрубок (поз. 13) для подачи теплоносителя (использованной душевой воды) и переходной элемент (поз. 16), соединенный с выходным штуцером (поз. 6) трубчатой спирали гибкой подводкой, при этом выходной патрубок (паз. 14) для теплоносителя межтрубного пространства расположен на корпусе устройства, а входной штуцер (поз. 10) спирали находится за пределами крышки устройства.
Дугообразный поперечный профиль витков трубчатой спирали гарантирует ее жесткость и постоянство заданных (из условий оптимального протекания процесса теплообмена, возможных радиусов гибки материала круглой трубы, из которой он изготавливается и необходимых проходных сечений) щелевых зазоров, образующих внутритрубное и межтрубное пространства при разнице (в определенных пределах) давлений в них, так как одна стенка такого профиля имеет выгнутую, работающую на растяжение, а вторая вогнутую (аркообразную), работающую на сжатие, формы, в то время как плоские элементы в этом случае испытывают напряжения на изгиб. Испытания образца, изготовленного из отожженной медной трубы диаметром 25 миллиметров со стенкой 1 миллиметр, радиусом кривизны дуги 45 миллиметров и зазоре между стенками 2 миллиметра показали его стойкость к деформации при давлении до 14 атмосфер, в то время как контрольный образец изготовленный из той же трубы, но имеющий плоскоовальную форму (с таким же внутренним зазором) начал деформироваться при давлении в 4 атмосферы и при 14 атмосферах деформация (раздутие его по толщине) достигла 300%. Данные свойства дугообразного профиля витков дугообразной спирали делают возможным изготовление ее из тонкостенных труб теплопроводных, стойких к коррозии материалов (медь, алюминий, титан, нержавеющая сталь, теплопроводный пластик), при этом обеспечивая высокую эффективность теплообмена, не уступающую спиралям из плоских элементов, так как теплоносители протекают по узким щелеобразным каналам. Для фиксации межтрубного пространства спирального элемента возможно применение перемычек на краях внутреннего и наружного витков а, при необходимости, и в других местах спирали, соединяемых с витками сваркой, пайкой, клеевым соединением.
На Фиг. 4 изображена теплообменная спираль (поз. 1), вставленная в корпус (поз. 11) и прижатая крышкой (поз. 12). Для исключения возможности перетекания теплоносителя межвиткового пространства между витками корпус и крышка могут иметь уплотняющие элементы (прокладки) (поз. 8). Штуцеры уплотнены резиновыми кольцами (поз. 17). При безнапорной подачи теплоносителя (например стоков душевых кабин, боксов) в межтрубное пространство и достаточном собственном весе, крышка (Фиг. 5 поз. 12) может не крепиться к корпусу либо быть прижата грузом (Фиг. 5 поз 15), при этом выход среды межтрубного пространства осуществляется через патрубок (Фиг. 5 поз 14) в корпусе (емкости), а вход через патрубок (Фиг. 5 поз. 13) в крышке, а отвод нагретой воды осуществляется от переходного элемента (Фиг. 5 поз. 16) в центральной части крышки через гибкое соединение из штуцера (Фиг. 5 поз. 6) во внутреннем конце спирали, а подводится через наружный штуцер (Фиг. 5 поз. 10) спирали, находящейся за пределами крышки устройства. Такой вариант конструкции устройства позволяет, при использования гибкой подводки для соединения устройства с подающей магистралью и смесителем или нагревающем устройством, осуществлять чистку устройства без разборки напорных (холодного водоснабжения) соединений, для чего достаточно лишь отсоединить безнапорный вход стоков в патрубке крышки, снять груз, поднять крышку и вынуть спираль. При этом устройство может служить опорой душевому поддону.
Изготовленный опытный образец устройства со спиралью из алюминиевой трубы (Фиг. 3, фото) диаметром 42 миллиметра длиной 6 метров, толщиной слоя во внутритрубном пространстве 3 миллиметра (соединено с подающей магистралью холодного водоснабжения) и средней толщиной слоя в межтрубном пространстве 5 миллиметров (использованная вода душевого устройства, самотек), расходе воды 8 литров в минуту и разнице температур (между подаваемой, холодной водой и водой на выходе из нагревательного устройства) в 36 градусов достигнута 54% экономия энергии, затрачиваемой на нагрев воды.
Подача теплоносителя во внутритрубное пространство спирали при круглых ее концах может быть осуществлена известными способами без применения сварных либо паяных соединений - например, посредством штуцеров (Фиг. 3, 4, 5 поз. 6, 10) с резиновыми кольцами (Фиг. 4 поз. 17), для чего на концах трубы выполняется внутренняя фаска и производится их чистовая обработка.
Возможна эксплуатация теплообменного устройства без корпуса (емкости) как такового при установке его на полу в уже существующих душевых боксах. При этом подача греющей среды (стоков от душа) будет осуществляться через патрубок крышки, лежащей на витках спирали в середину последней из находящегося над устройством душевого поддона, (и, возможно, использующего устройство как опору), а отвод из наружного выхода межтрубного пространства непосредственно на пол, имеющий сливные окна.
Теплообменное устройство работает следующим образом.
Среда внутритрубного пространства подается через периферийный угловой штуцер (Фиг. 4 поз 10), а отводится через штуцер в центральной части крышки (Фиг. 4 поз. 6). Среда межтрубного пространства подается в противотоке к среде внутритрубного пространства через вход (Фиг. 4 поз. 7) в центральной части крышки (Фиг. 4 поз. 12) и отводятся через периферийный выход (Фиг. 4 поз. 9). Теплообмен происходит через стенку спирали. Для чистки устройства достаточно снять крышку с корпуса и отсоединить спираль теплообменника от подающего и выходного штуцеров, что позволяет легко очищать межтрубное пространство спирали, корпус и крышку по отдельности, например, посредством струи высокого давления бесконтактной мойки. При безнапорной подачи жидкости (например серых стоков душевых кабин, боксов, являющихся теплоносителем) в межтрубное пространство и достаточном собственном весе, крышка может не крепиться к корпусу либо быть прижата грузом (Фиг. 5 поз 15), при этом выход среды межтрубного пространства осуществляется через патрубок (Фиг. 5 поз 14) в корпусе (емкости), а вход через патрубок (Фиг. 5 поз. 13) в крышке, а среда внутритрубного пространства (нагреваемая холодная вода) подается через штуцер (Фиг. 5 поз. 10) находящийся за пределами крышки (Фиг. 5 поз. 12) и отводится из переходного элемента в центральной части крышки (Фиг. 5 поз. 16), соединенного со штуцером (Фиг. 5 поз. 6) спирали гибким соединением достаточной длины (например уложенного кольцом в середине спирали), позволяющим снимать крышку и вынимать спираль для чистки устройства без разборки напорных соединений нагреваемой в устройстве холодной воды (при соединении устройства с внешними коммуникациями гибкой подводкой).
Предлагаемая конструкция трубчатой спирали позволяет изготавливать ее из тонкостенных труб, а теплообменное устройство на ее основе не требует обязательного применения сварных, паяных соединений при изготовлении устройства, что обуславливает технологичность его производства и, как следствие, минимизацию возможности появления производственных дефектов, длительную эксплуатацию, невысокую стоимость и возможность быстрого налаживания производства без применения дорогостоящего специального оборудования. При этом данное теплообменное устройство может быть установлено под поддоном душевой кабины и служить ему опорой, что позволяет создать теплообменные поверхности большой длины (до 10 метров) и площади (до 2 метров квадратных) с узкими щелевидными зазорами между ними для нагреваемой (холодной воды) среды и теплоносителя (использованной душевой воды), текущих в противотоке друг к другу и обменивающихся тепловой энергией через стенку спирали, в результате чего возможно увеличение эффективности (коэффициента регенерации) устройства по сравнению с выпускаемыми на сегодня аналогичными по назначению устройствами (РЕКУПЕРАТОРАМИ ДЛЯ ДУШЕВЫХ КАБИН).