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, закрепленными 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, обеспечивающего при этом более высокую, чем в аналогах, эффективность теплообмена.
Поставленная задача достигается за счет того, что в предлагаемом теплообменном аппарате, содержащем корпус с патрубками ввода и вывода воды и воздуха, сепаратор и 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 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 размещены теплообменники с патрубками ввода и вывода воды, внутри верхних частей выхлопных труб теплообменных элементов соосно с ними размещены цилиндрические емкости, разделенные перегородками вдоль вертикальных осей на две части, одна из которых оснащена патрубком ввода воды, а другая - патрубком вывода воды, при этом перегородки прикреплены верхними торцами к крышкам емкостей, а нижние торцы не доходят до дна емкостей, между внешними поверхностями емкостей и внутренними поверхностями выхлопных труб закреплены пластинчатые ребра, патрубки входа воды в емкости присоединены к вводу охлаждаемой воды в аппарат, а патрубки вывода воды из емкостей присоединены к патрубкам ввода воды в теплообменники, размещенные в нижней части выхлопных труб, а патрубки вывода воды из этих теплообменников присоединены к выводу охлаждаемой воды из аппарата.
Такое решение поставленной задачи обеспечивает технический результат, заключающийся в создании конструкции теплообменного аппарата, позволяющего осуществлять теплообмен с интенсивностью, большей, чем у аналогов, между большими количествами воды и воздуха в одном аппарате за счет размещения в верхних частях выхлопных труб теплообменных элементов дополнительной ступени теплообмена - цилиндрических емкостей, разделенных на две части, причем внешние поверхности этих емкостей соединены пластинчатыми ребрами с внутренней поверхностью выхлопных труб, а пластинчатые ребра значительно увеличивают поверхность теплообмена. При этом охлаждение воды (или иной жидкости) происходит без непосредственного контакта сред (воды и воздуха).
Анализ аналогов показал, что предлагаемое техническое решение является новым. Новизна предлагаемого решения заключается в организации дополнительной ступени теплообмена, выполненной в виде размещенных в верхних частях выхлопных труб цилиндрических емкостей, разделенных перегородками, не доходящими до дна емкости, на две части, одна из которых оснащена патрубком входа, а другая патрубком выхода воды; кроме того, внешние поверхности емкостей снабжены пластинчатыми ребрами, увеличивающими значительно поверхность теплообмена, контактирующие с внутренними поверхностями выхлопных труб.
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 по Б-Б верхней части выхлопной трубы.
Теплообменный аппарат состоит из корпуса 1, патрубков ввода 2 и вывода 3 воздуха, патрубков ввода 4 охлаждаемой воды и вывода 5 охлажденной 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 торцы 15 которых присоединены к патрубку вывода 3 воздуха через его нижнюю стенку 16. Патрубок 17 предназначен для подачи водопроводной воды в аппарат. В нижних частях выхлопных труб 14 размещены теплообменники 18, оснащенные патрубками ввода 19 и вывода 20 охлаждаемой воды. Патрубок 21 служит для слива воды из аппарата. В верхних частях выхлопных труб 14 соосно с ними установлены цилиндрические емкости 22, разделенные вертикальными перегородками 23, разделяющими емкости 22 на две части, причем перегородки 23 прикреплены верхними кромками к крышкам 24 цилиндрических емкостей 22, а нижние торцы перегородок 23 не доходят до дна 25 емкостей 22. Патрубки 26 и 27 служат для ввода и вывода из емкостей охлаждаемой воды соответственно. Между внешними поверхностями емкостей 22 и внутренними поверхностями выхлопных труб 14 закреплены пластинчатые ребра 28. Патрубки 26 присоединены к вводам 4 охлаждаемой воды в аппарат, патрубки 27 - к патрубкам ввода воды 19 теплообменников 18, а патрубки вывода воды 20 из теплообменников 18 присоединены к выводу 5 охлажденной 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 пластинчатые ребра 28, закрепленные радиально на внешних поверхностях цилиндрических емкостей 22, охлаждая ребра, стенки выхлопных труб 14 и емкостей 22; 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 подача охлаждаемой воды (либо иной жидкости), которая через патрубок ввода 4 поступает в цилиндрические емкости 22(через патрубки 26), попадает в одну часть емкостей, отделенную перегородкой 23 от другой части емкости 22, и, пройдя под перегородкой 23, поступает в другую часть емкости 22, откуда через патрубок 27 поступает на теплообменник 18 (через его патрубок ввода 19). Проходящая через емкость 22 вода интенсивно охлаждается обдувающим емкости 22 и ребра 28 увлажненным воздухом. Таким образом, в емкости 22 осуществляется первая ступень охлаждения воды. Поступающая в теплообменник 18 вода весьма 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. Таким образом, осуществляется вторая ступень охлаждения воды. Затем охлаждаемая вода через патрубки 20 поступает в патрубок вывода 5 охлажденной воды из аппарата.
Таким образом, в теплообменном аппарате осуществляется более интенсивный (по сравнению с аналогами) теплообмен в двух ступенях охлаждения воды - в цилиндрических емкостях 22 и теплообменниках 18, при этом исключается непосредственный контакт взаимодействующих сред (охлаждаемой 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 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 пластинчатых ребер 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 аналогами) теплообмен между воздухом и жидкостью без непосредственного контакта и при больших теплообменивающихся объемах этих сред.