Пластинчатый теплообменник с естественным воздушным охлаждением
PLATE HEAT EXCHANGER WITH NATURAL AIR COOLING

Изобретение относится к теплотехнике, а именно, к теплообменному оборудованию и может быть использовано при воздушном охлаждении газов и жидкостей вне помещений без принудительной подачи охлаждающего воздуха.
Известен пластинчатый теплообменник, включающий кожух, в котором помещен пакет пластин, состоящий из множества теплообменных пластин, которые формируют первые промежутки (каналы) между пластинами для первой (охлаждающей) среды (например, воздуха) и вторые промежутки (каналы) между пластинами для второй (охлаждаемой) среды. Кожух снабжен трубными досками и крышками, в которых устроены входные и выходные отверстия (патрубки) для входа в пластинчатый теплообменник и выхода из него нагреваемой и охлаждаемой сред, а теплообменные пластины соединяются с кожухом, трубными досками и крышками через уплотнения [Патент РФ №2426965, МПК F 28 D 9/ 00, F 28 G 13/ 00, 2009].
Основным недостатком известного пластинчатого теплообменника является необходимость принудительной подачи охлаждающего теплоносителя (воздуха), что снижает эффективность и надежность устройства.
Более близким к предлагаемому изобретению является пластинчатый теплообменник с естественной подачей охлаждающего воздуха, включающий кожух, снабженный трубными досками и крышками, между которыми помещены полости для теплообменивающихся сред, в крышках устроены входные и выходные патрубки для входа и выхода теплообменивающихся сред, в кожухе помещен пакет, состоящий из теплообменных пластин, которые формируют каналы для охлаждаемой и охлаждающей среды и которые соединяются с кожухом, трубными досками и крышками через уплотнения, при этом кожух выполнен корытообразным, горизонтальным, с днищем и двумя торцами, представляющими собой нижнюю и две торцевые трубные доски с прямоугольными отверстиями для охлаждающей и охлаждаемой среды, соответственно, торцевые и верхние кромки корытообразного горизонтального кожуха, кромки торцевых и верхней крышек, снабжены фланцевыми полосами, верхняя крышка выполнена с верхней трубной доской с отверстиями для охлаждающей среды, каналы охлаждающей среды соединены с отверстиями верхней и нижней трубных досок  и направлены вертикально, каналы охлаждаемой среды соединены с отверстиями торцевых трубных досок, и направлены горизонтально, а выходной патрубок охлаждающей среды (воздуха), соединен с вертикальной вытяжной трубой, снабженной дефлектором [Патент РФ №2489665,  МПК F 28 D 9/ 00, 2013].
Основным недостатком известного пластинчатого теплообменника с естественной подачей охлаждающего воздуха является невозможность охлаждения отходящих газов с большим содержанием влаги до температуры ниже точки росы в связи с затоплением газовых каналов образовавшимся конденсатом, что снижает его надежность, эффективность и экологические характеристики.
Техническим результатом, на решение которого направлено предлагаемое изобретение, является повышение надежности, эффективности и экологических характеристик пластинчатого теплообменника с естественным воздушным охлаждением.
Технический результат достигается пластинчатым теплообменником с естественным воздушным охлаждением, включающим горизонтальный прямоугольный кожух, внутри которого помещены вертикальные пластины, образующие газовые и воздушные каналы, торцы которого выполнены в виде двух торцевых трубных досок с прямоугольными вертикальными газовыми (охлаждаемой среды) отверстиями, кромки которых соединены с торцевыми крышками, соединенными с газоходом, крышка кожуха выполнена в виде верхней трубной доски с прямоугольными продольными воздушными (охлаждающей среды) отверстиями, соединенного с верхней крышкой, снабженной вертикальным выходным патрубком, соединенным, в свою очередь, с вытяжной трубой, снабженной дефлектором, днище кожуха выполнено в виде нижней трубной доски с прямоугольными продольными воздушными (охлаждающей среды) отверстиями, причем днища газовых каналов снабжены вертикальными сливными патрубками длиной Н, нижние торцы которых соединены с крышкой пирамидального поддона, снабженного штуцером.
Предлагаемый пластинчатый теплообменник с естественным воздушным охлаждением (ПТЕВО) изображен на фиг. 1–5 (фиг. 1– общий вид, фиг. 2–5 – разрезы).
ПТЕВО состоит из горизонтального прямоугольного кожуха 1, внутри которого помещены вертикальные пластины 2, образующие газовые 3 и воздушные каналы 4, торцы которого выполнены в виде двух торцевых трубных досок 5, 6 с прямоугольными вертикальными газовыми (охлаждаемой среды) отверстиями 7, трубные доски 5, 6 соединены с торцевыми крышками 8, 9, соединенными с газоходом 10 (узлы соединения на фиг. 1–5 показаны условно), крышка выполнено в виде верхней трубной доски 11 с прямоугольными продольными воздушными (охлаждающей среды) отверстиями 12, соединенной с верхней крышкой 13, снабженной вертикальным выходным патрубком 14, соединенным, в свою очередь, с вытяжной трубой 15, снабженной дефлектором 16, днище кожуха 1 выполнено в виде нижней трубной доски 17 с прямоугольными продольными воздушными (охлаждающей среды) отверстиями 12, причем днища газовых каналов нижней трубной доски 17 снабжены вертикальными сливными патрубками 18 высотой Н, нижние торцы которых соединены с крышкой пирамидального поддона 19, снабженного штуцером 20.
0
Г
0
Г
Предлагаемый ПТЕВО работает следующим образом. Охлаждаемая среда, например, влажные газы из газохода 10 поступает в газовую полость торцевой крышки 8, из которой распределяется  по газовым отверстиям 7 трубной доски 5 и направляется в вертикальные газовые каналы 3, при движении по которым газы охлаждаются в результате теплообмена до температуры ниже точки росы с образованием конденсата, через теплообменные пластины 2 с охлаждающей средой, а именно, наружным воздухом, проходящим снизу по горизонтальным воздушным каналам 4, после чего охлажденный газ  через газовые отверстия 7 трубной доски 6 и газовую полость торцевой крышки 9 поступает в газоход 10. Образовавшийся конденсат из газовых каналов 3 вертикальные сливные патрубки 18 стекает в пирамидальный поддон 19, где отделяется от газа и через удаляется из поддона 19 через штуцер 20. В тоже время  наружный воздух (охлаждающая среда) под действием естественной тяги поступает снизу через межтрубное пространство между крышкой пирамидального поддона 19 и нижней трубной доской 17 высотой Н (высота Н и шаг между трубами 18 выбираются из условия оптимального сопротивления воздушному потоку) и воздушные отверстия 12 в вертикальные воздушные каналы 4, движется по ним вертикально, нагреваясь от t до t, в результате теплообмена через теплообменные пластины 2 с охлаждаемым  газом, движущимся горизонтально по газовым каналам 3. Далее, нагретый воздух через воздушные отверстия 12 верхней трубной доски 11 поступает в воздушную полость верхней крышки 13, поднимается вверх и через выходной вертикальный патрубок 14 поступает в вытяжную трубу 15 и дефлектор 16, откуда выбрасывается в атмосферу. При этом, нагрев воздуха от t до tи высота вытяжной трубы, создают в воздушных каналах 4 для воздушного потока самотягу [Ю. П. Гусев Основы проектирования котельных установок – М.: Стройиздат, 1977, с.143]. Кроме того, наличие дефлектора 16 на верхней кромке вытяжной трубы 15 создает дополнительную тягу за счет ветрового давления [Богословский В.Н. Отопление и вентиляция, ч. II, М.: Стройиздат, 1976, с.309]. Оба вышеупомянутые факторы обеспечивают постоянное поступление наружного воздуха в воздушные каналы 12 ПТЕВО, что позволяет охлаждать горячую среду (сбросные дымовые газы, другие сбросные газы, оборотную воду и пр.) без использования вентилятора и таким образом снизить расход электроэнергии на процессы их охлаждения.
Взаимное перпендикулярное расположение воздушных 4 и газовых 3 каналов в ПТЕВО позволяет осуществлять процесс теплообмена по перекрестной схеме движения теплоносителей, которая обеспечивает достаточно высокую движущую силу теплопередачи и широко используется в воздухоподогревателях для парогенераторов [Тепловой расчет промышленных парогенераторов. Под ред. Частухина В. И. – Киев: Вища школа, 1980, с. 50], что позволяет значительно упростить конструкцию крышек 8, 9, 13 (внутреннюю полость крышек не нужно делить перегородками на воздушные и газовые каналы) и уменьшить их вес, значительно снизить аэродинамическое сопротивление по сравнению с известными пластинчатыми теплообменниками с конструкциями крышек для прямоточной и противоточной схем движения теплоносителей. Кроме того, соединение днищ газовых каналов 3 вертикальными сливными патрубками 18 высотой Н с крышкой пирамидального поддона 19 предотвращает залив газовых каналов 3 конденсатом и его унос в атмосферу с уходящими газами, что повышает эффективность и экологические характеристики предагаемого ПТЕВО.
Таким образом, конструкция предлагаемого пластинчатого теплообменника с естественным воздушным охлаждением, за счет устройства вытяжной трубы с дефлектором, обеспечения в нем перекрестного движения теплообменивающихся сред, соединения днищ газовых каналов в нижней трубной доске с крышкой поддона сливными трубами, позволяет проводить охлаждение влажных газов до температуры ниже точки росы без опасности залива газовых каналов конденсатом, уноса его в атмосферу и повышения аэродинамического сопротивления, что повышает его надежность, эффективность и экологические характеристики по сравнению с известными пластинчатыми теплообменниками.