Водо-водяной теплообменник

Полезная модель относится к области теплоэнергетики и может быть использована в системах теплопотребления для удовлетворения тепловой нагрузкой абонентов, подключенных по независимой схеме или подогрева горячей воды от тепловой сети.
Известен теплообменник, содержащий трубчатый кожух с подводящим и отводящим патрубками с закрепленной внутри него трубчатой системой с подводящим и отводящим патрубками, причем трубчатая система соединена с ее подводящим и отводящим патрубками через демпферно-упругие элементы, ограничитель хода вынужденных колебаний установлен на внутренней поверхности трубчатого кожуха, а ударный узел - в отводящем патрубке трубчатой системы (RU 95814, МПК F28F 1/00, F28F 13/08, опубл. 10.07.2010).
Среди недостатков данной конструкции следует отметить относительно низкую эффективность теплообмена между греющей и нагреваемой средой, а также отсутствие эргономической возможности настройки устройства под различные параметры импульсно-колеблющегося потока теплоносителя.
Известен теплообменник, содержащий кожух с подводящим и отводящим патрубками, с закрепленной внутри него трубчатой системой, с подводящим и отводящим патрубками, демпферно-упругие элементы, ударный узел, при этом трубчатая система выполнена из двух и более змеевиковых труб с прямолинейными начальными и конечными участками, ударный узел выполнен с каналом выхода, коромыслом с осью качения и каналами входа с ударными клапанами на штоках в количестве змеевиковых труб, при этом каждый из каналов входа соединен с каналом выхода через расположенные в них ударные клапаны на штоках, которые установлены с возможностью возвратно-поступательного движения между каналами входа и каналом выхода ударного узла и связанных с плечами коромысла, расположенного с осью качения в канале выхода ударного узла, причем прямолинейные начальные участки змеевиковых труб трубчатой системы подключены к подводящему патрубку трубчатой системы через демпферно-упругие элементы, а прямолинейные конечные участки змеевиковых труб подключены к соответствующим каналам входа ударного узла (RU 2476800, МПК F28D 7/02, F28F 9/24, F28G 7/00, опубл. 27.02.2013).
Среди недостатков рассматриваемого теплообменника следует отметить относительно низкую эффективность использования потенциала импульса количества движения теплоносителя применительно к интенсификации теплообмена в нем, а также сложность настройки работы устройства под различные параметры импульсно-колеблющегося потока теплоносителя.
Известен отопительный прибор, включающий, по меньшей мере, два нагревательных элемента с возможностью конвективной передачи тепла во внешнюю среду с двухсторонним пропуском через них теплоносителя через входной и выходной патрубки, демпферно-упругие элементы, кожух, по меньшей мере, два ролика на каждый нагревательный элемент, двое направляющих салазок, пульсатор потока, два присоединительных патрубка, два крана, воздухоотводчик и гидравлический аккумулятор, на котором установлен штуцер с золотником для подачи в него воздуха, нагревательные элементы установлены внутри кожуха друг за другом с образованием воздушного зазора и сообщены между собой через демпферно-упругие элементы, входной и выходной патрубки, жестко закрепленные с кожухом, подключены к нагревательным элементам через демпферно-упругие элементы, ролики установлены на торцах нагревательных элементов с возможностью вращения и вставлены в направляющие салазки, которые жестко закреплены на кожухе параллельно осям деформации демпферно-упругих элементов, пульсатор потока установлен на выходе выходного патрубка, прогнозируемые оси деформации всех демпферно-упругих элементов расположены параллельно, присоединительные патрубки жестко закреплены с кожухом симметрично входному и выходному патрубкам и входами соединены через демпферно-упругие элементы с кранами, которые расположены внутри кожуха соосно демпферно-упругим элементам и подключены к нагревательному элементу, наиболее удаленному от входного и выходного патрубков, выходы присоединительных патрубков объединены гидравлическим аккумулятором, на котором установлен штуцер с золотником, и подключены к воздухоотводчику, установленному в высшей точке конструкции. Дополнительно содержит, по меньшей мере, один преобразователь механического движения с реечной передачей между двумя оппозитными штоками и валом, а также крыльчатку, причем преобразователь механического движения жестко закреплен внутри кожуха между соседними нагревательными элементами и свободными торцами оппозитных штоков и соединен с нагревательными элементами, а крыльчатка установлена на валу преобразователя механического движения (RU 183405, МПК F24H 3/00, опубл. 21.09.2018).
Из недостатков приведенного выше устройства следует отметить отсутствие возможности его применения для работы с двумя жидкостями, а также относительно низкую надежность и эффективность привода крыльчатки, которая, обладая инерционностью вращения, раскручивается попеременно в разные стороны.
Наиболее близким техническим решением по совокупности существенных признаков является водо-водяной теплообменник, включающий, по меньшей мере, два нагревательных элемента с возможностью конвективной передачи тепла во внешнюю среду с двухсторонним пропуском через них теплоносителя через входной и выходной патрубки, демпферно-упругие элементы, кожух в виде гидравлически изолированной емкости, по меньшей мере, два ролика на каждый нагревательный элемент, двое направляющих салазок, пульсатор потока, по меньшей мере, два присоединительных патрубка, два крана, воздухоотводчик и гидравлический аккумулятор, на котором установлен штуцер с золотником для подачи в него воздуха, входной и выходной патрубки нагреваемой среды, а также сливной кран, причем нагревательные элементы установлены внутри кожуха друг за другом с образованием воздушного зазора и сообщены между собой через демпферно-упругие элементы, входной и выходной патрубки, жестко закрепленные с кожухом, подключены к нагревательным элементам через демпферно-упругие элементы, ролики установлены на торцах нагревательных элементов с возможностью вращения и вставлены в направляющие салазки, которые жестко закреплены в кожухе параллельно осям деформации демпферно-упругих элементов, пульсатор потока установлен на выходе выходного патрубка, прогнозируемые оси деформации всех демпферно-упругих элементов расположены параллельно, присоединительные патрубки жестко закреплены с кожухом симметрично входному и выходному патрубкам и входами соединены через демпферно-упругие элементы с кранами, которые расположены внутри кожуха соосно демпферно-упругим элементам и подключены к нагревательному элементу, наиболее удаленному от входного и выходного патрубков, выходы присоединительных патрубков объединены гидравлическим аккумулятором, на котором установлен штуцер с золотником, и подключены к воздухоотводчику, установленному в высшей точке конструкции, входной и выходной патрубки подключены к кожуху с возможностью пропуска через него нагреваемой среды, а сливной кран подключен к объединенным выходам присоединительных патрубков с наружной стороны кожуха (RU 189928, МПК F24H 1/48, F28F 1/06, опубл. 11.06.2019).
Из недостатков прототипа следует отметить относительно низкую эффективность теплообмена между греющей и нагреваемой жидкостями через разделяющую их стенку, которая выполнена с возможностью колебательного движения от использования импульса количества движения одной из жидкостей.
Технический результат заключается в повышении эффективности работы водо-водяного теплообменника за счет интенсификации теплообмена в нем между греющей и нагреваемой средами.
Технический результат достигается за счет того, что водо-водяной теплообменник, включающий, по меньшей мере, два нагревательных элемента с возможностью конвективной передачи тепла во внешнюю среду с двухсторонним пропуском через них теплоносителя через входной и выходной патрубки, демпферно-упругие элементы, кожух в виде гидравлически изолированной емкости, по меньшей мере, два ролика на каждый нагревательный элемент, двое направляющих салазок, пульсатор потока, по меньшей мере, два присоединительных патрубка, два крана, воздухоотводчик и гидравлический аккумулятор, на котором установлен штуцер с золотником для подачи в него воздуха, входной и выходной патрубки нагреваемой среды, сливной кран, причем нагревательные элементы установлены внутри кожуха друг за другом с образованием воздушного зазора и сообщены между собой через демпферно-упругие элементы, входной и выходной патрубки, жестко закрепленные с кожухом, подключены к нагревательным элементам через демпферно-упругие элементы, ролики установлены на торцах нагревательных элементов с возможностью вращения и вставлены в направляющие салазки, которые жестко закреплены с кожухом параллельно осям деформации демпферно-упругих элементов, пульсатор потока установлен на выходе выходного патрубка, прогнозируемые оси деформации всех демпферно-упругих элементов расположены параллельно, присоединительные патрубки жестко закреплены с кожухом симметрично входному и выходному патрубкам и входами соединены через демпферно-упругие элементы с кранами, которые расположены внутри кожуха соосно демпферно-упругим элементам и подключены к нагревательному элементу, наиболее удаленному от входного и выходного патрубков, выходы присоединительных патрубков объединены гидравлическим аккумулятором, на котором установлен штуцер с золотником, и подключены к воздухоотводчику, установленному в высшей точке конструкции, входной и выходной патрубки подключены к кожуху с возможностью пропуска через него теплоносителя, а сливной кран подключен к объединенным выходам присоединительных патрубков с наружной стороны кожуха, дополнительно содержит, по меньшей мере, один преобразователь механического движения с реечной передачей между двумя оппозитными штоками и валом, по меньшей мере, одну крыльчатку с обгонной муфтой, причем преобразователь механического движения жестко закреплен внутри кожуха между соседними нагревательными элементами и свободными торцами оппозитных штоков соединен с ними, а крыльчатка установлена на валу преобразователя механического движения через обгонную муфту.
На чертеже представлена конструкция водо-водяного теплообменника.
Водо-водяной теплообменник включает, по меньшей мере, два нагревательных элемента 1 с возможностью конвективной передачи тепла во внешнюю среду с двухсторонним пропуском через них теплоносителя через входной 2 и выходной 3 патрубки, демпферно-упругие элементы 4, кожух 5 в виде гидравлически изолированной емкости, по меньшей мере, два ролика 6 на каждый нагревательный элемент, двое направляющих салазок 7, пульсатор потока 8, по меньшей мере, два присоединительных патрубка 9, два крана 10, воздухоотводчик 11 и гидравлический аккумулятор 12, на котором установлен штуцер с золотником 13 для подачи в него воздуха, входной 14 и выходной 15 патрубки нагреваемой среды, сливной кран 16, преобразователь механического движения 17 с реечной передачей между двумя оппозитными штоками 18 и валом 19, по меньшей мере, одну крыльчатку 20 с обгонной муфтой 21. Нагревательные элементы 1 установлены внутри кожуха 5 друг за другом с образованием воздушного зазора и сообщены между собой через демпферно-упругие элементы 4, входной 2 и выходной 3 патрубки, жестко закрепленные с кожухом 4, подключены к нагревательным элементам 1 через демпферно-упругие элементы 4, ролики 6 установлены на торцах нагревательных элементов 1 с возможностью вращения и вставлены в направляющие салазки 7, которые жестко закреплены с кожухом 5 параллельно осям деформации демпферно-упругих элементов 4, пульсатор потока 8 установлен на выходе выходного патрубка 3, прогнозируемые оси деформации всех демпферно-упругих элементов 4 расположены параллельно, присоединительные патрубки 9 жестко закреплены с кожухом 4 симметрично входному 2 и выходному 3 патрубкам и входами соединены через демпферно-упругие элементы 4 с кранами 10, которые расположены внутри кожуха соосно демпферно-упругим элементам и подключены к нагревательному элементу 1, наиболее удаленному от входного 2 и выходного 3 патрубков, выходы присоединительных патрубков 9 объединены гидравлическим аккумулятором 12, на котором установлен штуцер с золотником 13, и подключены к воздухоотводчику 11, установленному в высшей точке конструкции, входной 2 и выходной 3 патрубки подключены к кожуху 5 с возможностью пропуска через него теплоносителя, а сливной кран 16 подключен к объединенным выходам присоединительных патрубков с наружной стороны кожуха 4, преобразователь механического движения 17 жестко закреплен внутри кожуха 5 между соседними нагревательными элементами 1 и свободными торцами оппозитных штоков 18 соединен с ними, а крыльчатка 20 установлена на валу 19 преобразователя механического движения 17 через обгонную муфту 21.
Водо-водяной теплообменник работает следующим образом. Сначала, для обеспечения работоспособности технического решения, входной патрубок 2 подключают к источнику подачи греющего теплоносителя, а выходной патрубок 3, на котором установлен через пульсатор потока 8 - к приемнику греющего теплоносителя (на чертеже источник и приемник греющего теплоносителя не указаны). Входной 14 и выходной 15 патрубки нагреваемой среды соответственно подключают к источнику и приемнику нагреваемой среды (на чертеже не представлены). Краны 10 должны быть закрыты на этапе сборки конструкции теплообменника или же заменены заглушками, которые обеспечат идентичную схожесть и работоспособность представленного технического решения. Сливной кран 16 по умолчанию должен быть закрыт.
Затем осуществляют заполнение греющего контура водо-водяного теплообменника, включающего все нагревательные элементы 1, связывающие их демпферно-упругие элементы 4 и закрытые краны 10, греющим теплоносителем через входной патрубок 2 и (или) через выходной патрубок 3. Воздух из заполняемого гидравлического контура должен быть полностью удален доступными методами. Например, в случае использования кранов 10 с дистанционным управлением они могут быть на это время открыты для удаления воздуха через оставшиеся, несвязанные соседними нагревательными элементами 1, демпферно-упругие элементы 4, присоединительные патрубки 9 и, наконец, воздухоотводчик 11.
Внутренняя полость кожуха 5, выполненного в виде гидравлически изолированной емкости, заполняется нагреваемым теплоносителем через входной 14 и(или) выходной 15 патрубки нагреваемой среды до полного удаления из него воздуха.
Через сливной кран 16 обеспечивают заполнение присоединительных патрубков 9 и соответствующей полости гидравлического аккумулятора рабочей жидкостью (например, маслом или водой). При этом воздух удаляется через воздухоотводчик 11. Если же на этапе удаления воздуха из греющего гидравлического контура использовалась возможность веременного дистанционного открытия кранов 10, то предыдущую операцию со сливным краном 16 не выполняют.
После этого через штуцер с золотником 13 в гидравлический аккумулятор 12 закачивается воздух до сжатия всех демпферно-упругих элементов 4, связанных нагревательными элементами 1 и демферно-упругих элементов 4, подключенных к входному 2 и выходному 3 патрубкам. Причем, это давление воздуха в гидравлическом аккумуляторе 12 должно быть достаточным для аккумулирования амплитуды повышения давления со стороны греющего теплоносителя, который будет циркулировать через нагревательные элементы 1 импульсно от работы пульсатора потока 8. Для каждого конкретного случая применения водо-водяного теплообменника давление воздуха в гидравлическом аккумуляторе 12 подбирается индивидуально по показателю наиболее эффективной работы устройства.
Затем обеспечивают циркуляцию теплоносителя через входной 2 и выходной 3 патрубки водо-водяного теплообменника и при помощи пульсатора потока 8, установленного на выходном патрубке 3, путем частичного или полного перекрытия потока, создают периодические импульсы количества движения греющего теплоносителя - локальные гидравлические удары. Волна повышения давления полученного таким образом гидравлического от выходного патрубка 3 распространяется к входному патрубку 2 подачи греющего теплоносителя через весь греющий гидравлический контур. В то же время, за счет податливости демпферно-упругих элементов 4 на линейное расширение, а также вращения роликов 6 в направляющих салазках 7, способствует перемещению нагревательных элементов 1 относительно кожуха 5 и заполняющей его нагреваемой среды при обеспечении условий интенсифицированного теплообмена.
В этих условиях демпферно-упругие элементы 4, посредством которых нагревательные элементы 1 подключены к входному 2 и выходному 3 патрубкам, а также расположенные между нагревательными элементами 1, будут растягиваться. Демпферно-упругие элементы 4, расположенные между кранами 10 и присоединительными патрубками 9, будут в этот момент сжиматься в результате демпфирования избыточного давления со стороны греющей среды гидравлическим аккумулятором 12.
После демпфирования импульса количества движения греющего теплоносителя гидравлическим аккумулятором, а также в результате того, что пульсатор потока 8 откроет проходное сечение выходного патрубка 3, все демпферно-упругие элементы 4 за счет воздействия сжатого воздуха в гидравлическом аккумуляторе 12 примут свою начальную форму. При этом нагревательные элементы 1 с роликами 6 займут исходное положение в направляющих салазках 7 относительно кожуха 5. При этом будет обеспечена интенсификация теплообмена от импульсного движения нагревательных элементов 1 в нагреваемой среде, а в нагревательные элементы 1 поступит новая порция греющего теплоносителя по входному патрубку 2.
При колебательном возвратно-поступательном движении нагревательных элементов 1 в направляющих салазках 7 движение связанных с ними штоков 18 преобразователя механического движения 17 будет обеспечивать возвратно-вращательное движение его вала 19. А за счет того, что крыльчатка 20 установлена на этот вал 19 через обгонную муфту (храповик) 21, ее вращение будет происходить только в одну сторону. Тем самым будет обеспечена дополнительная скорость омывания нагреваемого теплоносителя всего греющего гидравлического контура и использована очередная возможность к общей интенсификации теплообмена в устройстве со стороны нагреваемого теплоносителя.
С последующим циклом повышения давления греющего теплоносителя от периодического перекрытия сечения выходного патрубка 3 пульсатором потока 8, процесс работы теплообменника повторится в описанной выше последовательности и будет продолжаться до тех пор, пока будет присутствовать импульсная циркуляция греющего теплоносителя через входной 2 и выходной 3 патрубки.
В результате использования заявленной конструкции водо-водяного теплообменника обеспечивается возможность высоко интенсифицированного обмена тепла между греющей и нагреваемой средами, которая реализуется совокупностью следующих факторов:
импульсная циркуляция греющей среды, обеспечиваемая пульсатором потока;
колебательное движение поверхности теплообмена нагревательных элементов от использования генерируемых импульсов количества движения теплоносителя, циркулирующего через водо-водяной теплообменник;
принудительное омывание (увеличение скорости в пристеночной области) поверхности теплообмена нагреваемым теплоносителем.
По сравнению с известным решением предлагаемое позволяет повысить эффективность работы водо-водяного теплообменника за счет интенсификации теплообмена в нем от использования импульса количества движения  греющего или нагреваемого теплоносителя.