ТЕПЛОМАССООБМЕННЫЙ БЛОК
HEAT AND MASS EXCHANGE UNIT

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для теплообмена между потоками флюидов, массообмена флюида с флюидом или твердым веществом, проведения химических процессов в условиях контроля температуры и может быть использовано в различных отраслях промышленности.
Известны теплообменники, оснащенные теплообменными блоками из плоских гофрированных пластин, объединенных в пакет с помощью пайки, сварки или уплотнительных прокладок, обладающие малой массой и габаритами [Промышленная теплоэнергетика и теплотехника. Справочник, кн. 4. М.: Энергоатомиздат, 1991, с. 168].
Недостатками указанных теплообменных блоков являются: большое гидравлическое сопротивление, низкие предельные значения рабочих температуры и давления, склонность к накоплению отложений в застойных зонах и ненадежность в эксплуатации.
Известен пластинчатый теплообменник для изотермических химических реакторов [RU 2527901, опубл. 10.09.2014 г., МПК F28D 9/00], включающий теплообменный блок, состоящий из нескольких теплообменных пластин, каждая из которых включает первый и второй листы металла, образующие соответственно первую и вторую боковые поверхности, подающую линию теплоносителя и коллектор теплоносителя, и несколько внутренних проходов для теплоносителя между первым и вторым листами металла, причем первый и второй листы соединены по меньшей мере одним сварными швом, выполненным на первой боковой поверхности, а подающая линия теплоносителя и коллектор теплоносителя образованы подающим и коллекторным каналами и присоединены ко второму листу металла другими сварными швами, выполненными на второй поверхности пластины.
Недостатками данного теплообменного блока являются сложность конструкции, большое количество сварных соединений, сложность его изготовления, включающая изготовление отдельных элементов и их последовательное соединение с коллекторами теплоносителя с помощью линий теплоносителя, а также изменяющееся в радиальном направлении расстояние между теплообменными элементами, что приводит к падению скорости потока флюида в направлении от центра к периферии аппарата и снижению эффективности теплообмена.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является теплообменник Астановского радиально-спирального типа (варианты) [RU 2348882, опубл. 10.03.2009 г., МПК F28D 9/04], содержащий установленные вертикальном цилиндрическом корпусе один над другим два или более блоков теплообменных элементов, образующих периферийный кольцеобразный и центральный цилиндрический коллекторы, каждый блок сформирован из вертикально установленных, примыкающих друг к другу теплообменных элементов, сваренных между собой вертикальными швами и образующих кольцевой ряд вокруг вертикальной оси корпуса, каждый теплообменный элемент выполнен полым и представляет собой две сваренные по двум горизонтальным сторонам стенки с дистанционирующими выступами, имеющие в поперечном сечении форму спирали Архимеда и образующие во внутренней полости радиально-спиральный (радиальный) щелевой канал для одного из теплоносителей, а теплообменные элементы прилегают друг к другу, образуя наружные вертикальные щелевые (аксиальные) каналы для перемещения второго теплоносителя.
Основным недостатком данного тепломассообменного блока, является сложность его конструкции, образованной кольцевым рядом полых теплообменных элементов с большим количеством сварных соединений, и связанная с этим сложность его изготовления. Кроме того, выполнение теплообменных элементов из двух стенок, имеющих в поперечном сечении форму спирали Архимеда, приводит к увеличению поперечного сечения потока и падению скорости флюида в направлении от центра к периферии аппарата и снижению эффективности тепломассообменных или химических процессов, осуществляемых в пространстве между теплообменными элементами.
Задачами настоящего изобретения является упрощение конструкции тепломассообменного блока и постоянство поперечного сечения потока флюида в радиальном направлении.
Техническим результатом является упрощение конструкции тепломассообменного блока и постоянство поперечного сечения потока флюида в радиальном направлении за счет выполнения тепломассообменного блока из изогнутых в радиальном направлении, равноотстоящих друг от друга сильфонов или гофрированных труб с поперечным сечением, близким к прямоугольному, соединенных краями боковых стенок.
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом тепломассообменном блоке, выполненном из вертикально установленных теплообменных элементов, сваренных между собой вертикальными швами и образующих кольцевой ряд вокруг вертикальной оси корпуса, каждый теплообменный элемент образует во внутренней полости радиальный канал, а смежные теплообменные элементы образуют между собой аксиальные каналы, особенностью является то, что теплообменные элементы выполнены в виде изогнутых в радиальном направлении, равноотстоящих друг от друга сильфонов или гофрированных труб с поперечным сечением в форме прямоугольника со скругленными углами и аксиально направленной длинной стороной, кроме того, тепломассообменный блок оснащен герметизирующими элементами, разделяющими аксиальные и радиальные каналы и служащими для соединения тепломассообменного блоков с другим тепломассообменным блоком и/или с корпусом аппарата, в качестве которых установлены внутренние крышка или втулка и наружные кольцо или втулка.
При необходимости по меньшей мере одна из крышек может быть оснащена патрубком для ввода или вывода одного из флюидов. По меньшей мере в одной из смежных полостей размещены дистанцирующие вкладки. Герметизирующие элементы могут быть оснащены компенсаторами температурного расширения, например, сильфонного типа.
Для осуществления массообмена флюид-твердое вещество (адсорбции) или проведения гетерогенных каталитических химических реакций аксиальные каналы заполнены адсорбентом или катализатором.
Для обеспечения возможности работы аппарата при больших перепадах давления между смежными каналами в каналах с меньшим давлением могут быть размещены дистанцирующие вкладки, которые могут не только обеспечивать равноотстояние стенок теплообменных элементов, но и задавать направление движения и турбулизировать потоки флюидов, что повышает эффективности теплоотдачи. За счет расположения элементов дистанцирующих вкладок может быть организовано или преимущественно перекрестноточное, или прямоточное, или противоточное движение флюидов, как в радиальном, так и в аксиальном направлении.
В случаях, когда в давление в радиальных каналах превышает давление в аксиальных каналах и существует вероятность пластической деформации из-за "разворачивания" теплообменных элементов по наружной образующей тепломассообменного блока установлена перфорированная силовая обечайка или спиральная навивка проволокой, воспринимающая нагрузки и обеспечивающая работу теплообменных элементов в области упругих деформаций.
Выполнение теплообменных элементов в виде изогнутых в радиальном направлении равноотстоящих друг от друга сильфонов или гофрированных труб с поперечным сечением в форме прямоугольника со скругленными углами и аксиально направленной длинной стороной позволяет уменьшить количество внутренних элементов блока и их соединений, упростить конструкцию и повысить надежность тепломассообменного блока, а также обеспечить постоянство поперечного сечения потока флюида в радиальном направлении, что увеличивает эффективность тепло- и массообменных процессов.
Тепломассообменные блоки (фиг. 1), выполненные из теплообменных элементов, изготовленных из гофрированных труб 1 (гофры условно не показаны) или сильфонов 2, оснащены герметизирующими элементами, выполненными в виде кольца 3, крышки 4 или втулки 5, в зависимости от местонахождения блока относительно соседних блоков и корпуса аппарата (условно показано по одному элементу каждого вида на блоке 6, изготовленному из труб).
Работа тепломассообменного блока показано на примере блока 6, при этом поток флюида 7 направляют в радиальные каналы в направлении от периферии к центру и выводят из аксиальной области в низу блока (условно - через втулку 5), а поток флюида 8 подают в аксиальные каналы противотоком к направлению движения флюида 7 и выводят из кольцевой области с обратной стороны блока. Возможна смена направления движения потоков флюидов в блоках.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет упростить конструкцию тепломассообменного блока, обеспечить постоянство поперечного сечения потока флюида в радиальном направлении и может найти применение в промышленности.