ТЕПЛООБМЕННЫЙ АППАРАТ
HEAT-EXCHANGE APPARATUS

Изобретение относится к теплообменным аппаратам, предназначенным для осуществления взаимодействия воздуха и воды (либо иной жидкости), приводящего к теплообмену между этими средами.
Известен теплообменный аппарат (патент РФ №2227882, F28C 3/06, 2004 г.), содержащий корпус с патрубками вывода воды и воздуха, сепаратор и переливное устройство, а в корпусе аппарата над его дном размещены несколько теплообменных элементов, каждый из которых снабжен закручивателем воздуха с лопатками, закрепленным на кольцевой пластине, выхлопной трубой, установленной на верхних кромках лопаток, при этом выхлопные трубы теплообменных элементов присоединены к патрубку вывода воздуха из аппарата, причем верхние обрезы выхлопных труб расположены на 2-3 мм выше нижней стенки патрубка вывода воздуха из аппарата, а патрубок ввода воды в аппарат вмонтирован также в патрубок вывода воздуха из аппарата.
Недостатком такого теплообменного аппарата является невозможность его использования для охлаждения воды (или иной жидкости), непосредственный контакт которой с воздухом невозможен по технологическим или иным условиям, например при использовании теплообменника в качестве конденсатора хладоагента холодильной машины, либо жидкости, содержащей химические вещества, контакт которых с воздухом приводит к образованию токсичных веществ.
Известен теплообменный аппарат (патент РФ №2287753, 2006 г.) - ближайший аналог, содержащий корпус с патрубками ввода и вывода воды и воздуха, сепаратор, переливное устройство, несколько теплообменных элементов, размещенных над дном корпуса, при этом каждый теплообменный элемент снабжен закручивателями воздуха с лопатками, закрепленными на кольцевой пластине, выхлопной трубой, установленной на верхних кромках лопаток, причем выхлопные трубы теплообменных элементов присоединены к патрубку вывода воздуха из аппарата, а в нижних частях выхлопных труб теплообменных элементов размещены теплообменники, патрубки входа воды которых присоединены к вводу охлаждаемой воды в аппарат, а патрубки выхода воды присоединены к выводу охлаждаемой воды из аппарата, вмонтированному в патрубок вывода воздуха из аппарата.
Недостатком такого теплообменного аппарата является то обстоятельство, что эффективность повышения теплообмена использована не полностью при больших объемах теплообменных сред.
Задачей предлагаемого изобретения является создание теплообменного аппарата, пригодного для осуществления теплообмена между большим объемом теплообменивающихся сред без их непосредственного контакта, обеспечивающего при этом более высокую, чем в аналогах, эффективность теплообмена.
Поставленная задача решается за счет того, что в предлагаемом теплообменнике, содержащем корпус с патрубками ввода и вывода воды и воздуха, сепаратор, переливное устройство, несколько теплообменных элементов, размещенных над дном корпуса, при этом каждый из теплообменных элементов снабжен закручивателями воздуха с лопатками, закрепленными на кольцевой пластине, выхлопной трубой, установленной на верхних кромках лопаток, причем выхлопные трубы присоединены к патрубку вывода воздуха из аппарата, патрубки ввода и вывода охлаждаемой воды из аппарата вмонтированы в патрубок вывода воздуха из аппарата, а в нижних частях выхлопных труб теплообменных элементов размещены теплообменники, согласно изобретению внутри верхней части каждой из выхлопных труб радиально установлены волнистые пластины, прикрепленные торцами к внутренним стенкам выхлопных труб, а противоположными торцами скрепленные между собой вдоль осей выхлопных труб, вокруг внешних поверхностей выхлопных труб в той же верхней части закреплены цилиндрические емкости, разделенные внутренними цилиндрическими перегородками на две части, причем перегородки прикреплены к крышкам емкостей, но не доходят до дна емкостей, а патрубки ввода воды в емкости присоединены к патрубкам ввода воды в аппарат, а патрубки вывода воды из емкостей - к патрубкам входа воды в теплообменники, патрубки выхода воды из теплообменников присоединены к выводу охлаждаемой воды из аппарата.
Такое решение поставленной задачи обеспечивает технический результат, заключающийся в создании достаточно простой конструкции теплообменного аппарата, позволяющего значительно выше по интенсивности теплообмена, чем у аналогов, осуществлять охлаждение воды (либо иной жидкости) в больших объемах без непосредственного контакта сред (воды и воздуха) за счет организации дополнительной ступени охлаждения воды (жидкости) в емкостях, расположенных в верхних частях выхлопных труб.
Анализ аналогов показал, что предлагаемое техническое решение является новым. Новизна предлагаемого решения заключается в организации дополнительной ступени теплообмена в емкостях, расположенных вокруг верхних частей выхлопных труб, и расположения внутри этих же верхних частей изогнутых пластин, прикрепленных торцами к внутренним поверхностям выхлопных труб, а противоположными концами скрепленных между собой по осям выхлопных труб, таким образом, образуется дополнительный узел (ступень) теплообмена, после которой охлаждаемая вода (жидкость) поступает на теплообменник, размещенный в нижней части выхлопных труб (вторая ступень теплообмена).
Таким образом, заявляемое техническое решение характеризуется новой совокупностью существенных признаков, дающих положительный эффект, и обладает признаками соответствия критерию «изобретательский уровень».
На фиг.1 приведен предлагаемый теплообменный аппарат, на фиг.2 - разрез теплообменного элемента по А-А, на фиг.3 - разрез цилиндрической емкости по Б-Б.
Теплообменный аппарат состоит из корпуса 1, патрубков ввода 2 и вывода 3 воздуха, патрубков ввода 4 и вывода 5 охлаждаемой воды, сепаратора 6, переливного устройства 7, теплообменных элементов 8, установленных над дном 9 корпуса 1, на подставках 10. Теплообменные элементы 8 снабжены закручивателями воздуха 11, содержащими лопатки 12, установленные на кольцевых пластинах 13, выхлопными трубами 14, верхние концы которых 15 присоединены к патрубку вывода 3 воздуха через его нижнюю стенку 16. Патрубок 17 предназначен для подачи воды в аппарат из водопровода. В нижних частях выхлопных труб 14 размещены теплообменники 18, оснащенные входами 19 и выходами 20 охлаждаемой воды. Патрубок 21 служит для слива воды из аппарата. Вокруг верхних частей выхлопных труб 14 закреплены цилиндрические емкости 22, разделенные цилиндрическими перегородками 23, прикрепленными к крышкам 24 емкостей 23, но не доходящими до дна 25 емкостей, а внутри верхней части выхлопных труб 14 радиально размещены волнистые пластины 26, прикрепленные торцами к внутренним стенкам 27 выхлопных труб 14, а противоположными торцами скрепленные между собой вдоль продольных осей 28 выхлопных труб 14. Патрубки ввода 29 воды в емкости присоединены к вводу 5 воды в аппарат, а патрубки вывода 30 воды из емкостей присоединены к патрубкам входа 19 воды в теплообменники 18, а патрубки выхода 20 охлажденной воды из теплообменников 18 присоединены к выводам 4 воды из аппарата.
Теплообменный аппарат может работать в трех режимах: режиме охлаждения воды, режиме испарительного охлаждения воздуха, режиме очистки воздуха от пыли.
В режиме охлаждения воды аппарат работает следующим образом. Через патрубок 17 в аппарат подается вода из водопровода. Уровень воды в аппарате поддерживается с помощью переливного устройства 7. Затем в аппарат подается воздух через входной патрубок 2. Воздух поступает на закручиватель 11 и, проходя между лопатками 12, значительно увеличивает свою скорость, закручивается, при этом в закручивателе образуются струи, создающие вихрь, который турбулизирует воду, создавая своеобразный «кипящий» (псевдоожиженный) слой, который захватывает пространство в нижней части выхлопных труб, в которых размещены теплообменники 18, а далее насыщенный практически до 100% влагой воздух поступает в верхнюю часть выхлопных труб 14, где размещены радиально волнистые пластины 26, охлаждая пластины и стенки выхлопных труб 14, и далее воздух попадает в выходной патрубок 3, где теряет скорость (за счет большего поперечного сечения патрубка 3 по сравнению с сечением выхлопных труб 14) и, пройдя через сепаратор 6, оставляя на нем задержанные сепаратором капли влаги, выходит в атмосферу. Затем включается охлаждаемая вода (либо иная жидкость), которая через патрубок ввода 4 поступает в цилиндрические емкости 22 и через патрубки ввода 29 поступает в пространство между перегородками 23 и дном 25 в те части емкостей 22, которые примыкают к внешним стенкам выхлопных труб 14. Эти части емкостей 22 служат теплообменниками-охладителями, теплообмен которых увеличен за счет волнистых пластин 26, служащих оребрением такого теплообменника, при этом волнистые пластины значительно увеличивают площадь теплообмена. Далее через патрубки вывода 30 вода поступает на входы 19 теплообменников 18, в которых вода также интенсивно охлаждается омывающим теплообменник «кипящим» слоем, в котором, как известно (например, из книги Н.Н.Сыромятникова «Теплообмен в кипящем слое». - М.: Химия, 1967) теплообмен осуществляется более интенсивно. Затем охлаждаемая вода через патрубки 20 поступает в патрубок вывода 5 воды из аппарата.
Таким образом, в теплообменном аппарате осуществляется интенсивный теплообмен между охлаждаемой водой и воздухом в двух ступенях - в цилиндрических емкостях 22 и теплообменниках 18, при этом теплообмен происходит без непосредственного контакта сред (воды и воздуха).
При работе аппарата в режиме испарительного охлаждения воздуха осуществляется процесс теплообмена между воздухом и водой, при определенных соотношениях масс и температур воды и охлаждаемого воздуха.
При работе аппарата в режиме очистки воздуха от пыли происходит коагуляция частиц пыли, отбрасывание их на лопатки 12 закручивателя воздуха 11, откуда они смываются на дно 9 аппарата и удаляются из него через сливной патрубок 21, а очищенный от пыли воздух через выхлопные трубы 14 поступает в выходной патрубок 3 воздуха и далее, проходя через сепаратор 6, где задерживаются унесенные воздухом капли влаги, поступает к потребителю. Задержанные сепаратором 6 капли влаги и скопившийся в патрубке 3 конденсат сливаются в переливное устройство 7.
Предлагаемый теплообменный аппарат является промышленно применимым, так как включает в себя действующее устройство по патенту РФ №2287753, а монтаж цилиндрических емкостей и волнистых пластин в верхних частях выхлопных труб теплообменников не представляет технических трудностей.
Предлагаемый теплообменный аппарат по принципу действия, обусловленному новой совокупностью существенных признаков, позволяет осуществлять более интенсивный двухступенчатый (по сравнению с аналогом) теплообмен между воздухом и жидкостью без непосредственного контакта этих сред.