Аппарат теплообменный
HEAT EXCHANGER

Изобретение относится к энергетическому машиностроению и может быть использовано в теплообменных устройствах для жидких и газообразных сред.
Известен теплообменный аппарат А.с. СССР №426189 кл. F28D 11/08.1974, содержащий кожух с подводящим и отводящим патрубками одной среды, размещенные в кожухе концентрично расположенные два пустотелых внутреннего и наружного ротора, подводящий коллектор и отводящий коллектор другой среды, выполненные в виде усеченных конусов, заглушенных с одного торца и снабженных отверстиями на боковой поверхности.
Недостатками известного устройства являются ограниченные технологические возможности и недостаточная интенсивность теплообмена.
Техническим решением задачи является расширение технологических возможностей и интенсификация теплообмена.
Поставленная задача достигается тем, что в аппарате теплообменном, содержащем кожух с подводящим и отводящим патрубками одной среды, размещенные в кожухе концентрично расположенные два пустотелых внутреннего и наружного ротора, подводящий коллектор и отводящий коллектор другой среды, выполненные в виде усеченных конусов, заглушенных с одного торца и снабженных отверстиями на боковой поверхности, внутренний ротор выполнен винтовым и смонтирован из направляющих элементов, изготовленных в виде трех прямоугольных полос с напусками, согнутых попеременно в противоположные стороны под углом 140° по надрезам, выполненных под углом 60° друг к другу и к продольным кромкам полос, с образованием по длине полосы равносторонних треугольников расположенных попеременно в противоположные стороны, при этом, полосы соединены одна с другой по продольным кромкам под углом 70°, с образованием по внутреннему периметру трех ломаных винтовых канавок основного направления и одной ломаной винтовой канавки противоположного направления, а по наружному периметру трех ломаных винтовых линий основного направления и одной ломаной винтовой линии противоположного направления, в точках излома которых расположены места схождения сторон шести равносторонних треугольников, при этом, по периметру внутреннего винтового ротора образованы напуски прямоугольной формы расположенные последовательно с зазорами друг за другом по ломанным винтовым линиям основного направления, а наружный ротор выполнен винтовым в виде пустотелой цилиндрической винтовой поверхности с наружными напусками в виде винтовых лопастей по всей его длине и изготовлен из трех или более прямоугольных полос одинаковых по ширине и по длине вогнутой или выпуклой формы относительно оси винтовой поверхности, свернутых в вертикальной плоскости в продольном направлении и изогнутых по винтовым линиям в поперечном направлении на цилиндрической оправке и соединенных между собой с образованием по периметру винтовой поверхности напусков в виде винтовых лопастей по всей длине, а также винтовых линий и винтовых криволинейных поверхностей относительно оси винтовой поверхности с центрами кривизны, расположенными снаружи или внутри поперечного сечения винтовой поверхности и с винтовыми канавками, при этом, в пространстве между кожухом и наружным винтовым барабаном смонтирована цилиндрическая пружина с плоским сечением витков, выполненная с возможностью изменения шага витков за счет ее растяжения или сжатия.
По данным патентно-технической литературы не обнаружено техническое решение аналогичное заявляемому, что позволяет судить о изобретательском уровне предлагаемой конструкции аппарата теплообменного.
Новизна предложения заключается в том, что такое конструктивное оформление внутреннего винтового ротора по периметру позволяет не только обеспечить плавное продольное перемещение потоков одной среды, например горячей среды, от входного коллектора до выходного, но и обеспечить интенсивное взаимодействие потоков среды, что расширяет технологические возможности аппарата теплообменного.
Новизна заключается также в том, что внутренний винтовой ротор выполнен из направляющих элементов, выполненных в виде трех прямоугольных полос с напусками прямоугольной формы расположенных по периметру внутреннего ротора последовательно друг за другом с зазорами по ломанным винтовым линиям основного направления, что обеспечивает увеличение интенсивности смешиваемости потоков среды, увеличивает интенсивность их взаимодействия, а значит, интенсифицирует теплообмен и расширяет технологические возможности.
Новизна заключается также в том, что по наружному периметру внутреннего винтового ротора выполнены напуски прямоугольной формы, что обеспечивает увеличение интенсивности смешиваемости потоков, например, горячей среды, увеличивает теплообмен и расширяет технологические возможности.
Новизна обусловлена также тем, что площадь и форма поперечного сечения внутреннего и наружного винтовых роторов изменяются по длине, что изменяет скорости и траектории перемещения потоков сред по мере их перемещений, интенсифицирует теплообменные процессы, увеличивает интенсивность, энергоемкость и частоту их взаимодействия, расширяет технологические возможности.
Новизна заключается также в том, что винтовые поверхности и винтовые канавки завихряют потоки горячей и холодной сред, что интенсифицирует процесс теплообмена, расширяет технологические возможности.
Новизна предложения заключается в плавном увеличении проходного сечения наружного винтового ротора по длине, что увеличивает скорость перемещения частиц потоков сред, расширяет технологические возможности.
Новизна обусловлена тем, что наружный винтовой ротор по периметру снабжен тремя, четырьмя, пяти, шести и т.д. винтовыми линиям, шаг которых изменяется по длине и соответственно тремя, четырьмя, пятью, шестью и т.д. винтовыми канавками внутри наружного винтового ротора, что увеличивает скорость перемещений потоков сред, интенсифицирует теплообменные процессы, расширяет технологические возможности.
Новизна предложения заключается в том, что такое конструктивное оформление внутреннего винтового ротора тремя ломанными винтовыми линиями основного направления обеспечивает транспортировку потоков сред, расширяет технологические возможности.
Новизна обусловлена также в том, что выполнение внутреннего винтового ротора с двумя ломанными винтовыми линиями противоположного направления обеспечивает возврат в обратном направлении части потоков сред, увеличивает интенсивность теплообменных процессов, расширяет технологические возможности.
Новизна обусловлена также тем, что форма поперечного сечения внутреннего винтового ротора неправильный четырехугольник, который по длине внутреннего ротора меняет не только форму и размеры сторон четырехугольника, но и их расположение относительно оси внутреннего винтового ротора, что нарушает стационарность движения потоков сред, увеличивает интенсивность теплообменных процессов, расширяет технологические возможности.
Новизна обусловлена тем, что наружный винтовой ротор по всей длине выполнен в виде пустотелой цилиндрической винтовой поверхности с наружными напусками в виде винтовых лопастей по всей длине винтовой поверхности, снабженной многозаходными криволинейными винтовыми поверхностями в виде винтовых каналов, которые завихряют потоки сред и способствуют интенсификации теплообменных процессов.
Новизна заключается в том что винтовая цилиндрическая поверхность выполнена из трех и более винтовых полос криволинейной формы различного порядка и степени кривизны, что расширяет технологические возможности, и обеспечивает интенсификацию теплообмена.
Новизна усматривается так же в том, что наружный винтовой ротор выполнен многозаходным с каналами криволинейной формы, что расширяет технологические возможности.
Новизна заключается в том, что по всей длине снаружи наружного и внутреннего винтовых роторов образованы напуски в виде винтовых лопастей по всей их длине, что расширяет технологические возможности и повышает интенсивность теплообменных процессов.
1
1
1
1
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен аппарат теплообменный, общий вид; на фиг. 2 - внутренний винтовой ротор, снабженный напусками, общий вид; на фиг. 3 - вид А на фиг. 2; на фиг. 4 - одна из прямоугольных полос с разметкой линий сгиба и напусками прямоугольной формы с зазорами А, Б, В, Г между ними; на фиг. 5 - сечение Б-Б на фиг. 4; на фиг. 6 - одна из прямоугольных полос, скрученная в вертикальной плоскости вдоль своей продольной оси 0-0; на фиг. 7 - сечение А-А на фиг. 2; на фиг. 8 - сечение В-В на фиг. 2; на фиг. 9 - сечение Г-Г на фиг. 2; на фиг. 10 - сечение Д-Д на фиг. 2; на фиг. 11 - внутренний винтовой ротор, вид спереди с показанными утолщенными винтовыми линиями основного и противоположного направления; на фиг. 12 - выносной вид 1 на фиг. 11; на фиг. 13 - сечение Е-Е на фиг. 11; на фиг. 14 - сечение Ж-Ж на фиг. 11; на фиг. 15 - сечение 3-3 на фиг. 11; на фиг. 16 - сечение К-К на фиг. 11; фиг. 17 - наружный винтовой ротор, снабженный напусками, смонтированный из трех полос, общий вид; на фиг. 18 - вид Б на фиг. 17 наружного винтового ротора с центрами кривизны полос внутри его винтовой поверхности; на фиг. 19 - вид Б на фиг. 17 наружного винтового ротора с центрами кривизны полос снаружи его винтовой поверхности; на фиг. 17; на фиг. 20 - вид прямоугольной полосы после скручивания ее концов относительно горизонтальной оси O-О; на фиг. 21 - вид полосы после скручивания ее на цилиндрической оправке; на фиг. 22 - разрез М-М на фиг. 21; на фиг. 23 - разрез М-М с совмещением кромок двух полос; на фиг. 24 - наружный винтовой ротор, смонтированный из восьми полос, общий вид; фиг. 25 - разрез Т-Т на фиг. 24.
Аппарат теплообменный (фиг. 1) относится к энергетическому машиностроению и может быть использован в теплообменных устройствах для газообразных и жидких сред. Аппарат теплообменный (фиг. 1) содержит кожух 1 с подводящим холодную среду патрубком 2 и отводящим холодную среду патрубком 3, например таз. Внутри кожуха 1 концентрично размещены полые винтовые роторы 4 и 5. Кольцевое пространство между роторами 4 и 5 сообщено с коллекторами 8 и 7 горячей среды, например сжатого воздуха, выполненными в виде усеченных конусов, заглушенных с одного торца и имеющих на боковой поверхности отверстия 8 для прохода горячей среды. Внутренний ротор 4 снабжен противонаправленными винтовыми поверхностями и винтовыми линиями по наружной поверхности различного шага и числа заходов. При этом наличие противонаправленных винтовых канавок и винтовых линий, противоположных друг другу, интенсифицирует процесс теплообмена. Наружный ротор 5 снабжен по наружной поверхности направленными в одну сторону винтовыми поверхностями и винтовыми линиями, а по внутренней поверхности винтовыми канавками.
Если в полости между винтовыми роторами 4, 5 и кожухом 1 подается одна и та же среда, например один и тот же газ, то в пространстве 9 устанавливают лабиринтное уплотнение 10.
В пространство между кожухом 1 и наружным винтовым барабаном 5 смонтирована цилиндрическая пружина 11 с плоским сечением витков.
Внутренний винтовой ротор 4 смонтирован (фиг. 2, фиг. 3) из направляющих элементов, выполненных в виде трех прямоугольных полос 12, 13, 14 с напусками прямоугольной формы 15-16-17-18-19: 20-21-22-23-24; 25-26-27-28-29. При вращении внутреннего винтового ротора 4 напуски 15-16-17-18-19: 20-21-22-23-24; 25-26-27-28-29. создают в средах турбулентные потоки, что интенсифицирует процесс теплообмена. Эти напуски разделены друг от друга зазорами, например, как на фиг. 4, зазорами А, Б, В, Г, которые могут быть выполнены фрезеровкой, просечкой и другими известными способами. Полосы 12, 13, 14 (фиг. 4) снабжены кромками 30 и 31.
На фиг. 4 продольная кромка 31 полосы показана штрих-пунктирной утолщенной линией. На всех полосах 12, 13, 14 (фиг. 4) под углом 60° к продольным кромкам 30 и 31 выполнены попеременно с противоположных сторон надрезы 32 и 33 со скошенными стенками (фиг. 5), расположенными попарно под углом один к другому посредством фрезерования, обработкой давлением и т.п., с образованием равносторонних треугольников Т.
Геометрия и величины углов λ, ϕ, ώ, ϕ, α, β скосов надрезов 32, 33 (фиг. 5, фиг. 6) и их взаимное расположение определяют углы наклона равносторонних треугольников Т друг к другу по периметру внутреннего винтового ротора 4. После сгиба полосы, например полосы 13 (фиг. 5) надрезы 34-35, 35-36, 36-37, 37-38, 38-39, 39-40, 40-41, 41-42, 42-43, 43-44, 44-45, 45-46, 46-47, 47-48 сваривают, в результате образуются ребра жесткости. Полосы 12, 13, 14 после сгиба соединяют одна с другой по продольным кромкам 30 и 31 под углом 70° (фиг. 7). Такое соединение трех полос 12, 13, 14 становится возможным, так как после сгиба полос 12, 13, 14 по прямым линиям сгиба 32, 33 (фиг. 8, фиг. 9, фиг. 10) под углом 140° попеременно друг к другу в противоположные стороны, на полосе образуются грани в виде равносторонних треугольников Т, расположенных на полосе попеременно в противоположные стороны, с образованием по продольным кромкам полос 12, 13, 14, точнее по периметру наружного диаметра внутреннего винтового ротора 4, трех ломанных винтовых линий основного направления 49-50-51-52-53-54; 55-56-57-58-59; 60-61-62-63-64 с шагом S (фиг. 11) и двух ломанных винтовых линий противоположного направления, одна из которых на фиг. 11 показана утолщенной линией 64-59-53-63-58-52-62-57-51-67 с шагом 0,25 S.
1
6
1
6
1
2
3
На фиг. 11 показана утолщенной линией 49-50-51-52-53-54 одна из трех ломанных винтовых линий основного направления с шагом S. В каждой из точек излома - вершинах ломанных винтовых линий основного направления (фиг. 11 и фиг. 12), расположены места схождения сторон шести равносторонних треугольников T-T. Например, в вершине 52 сходятся стороны 65-70 шести равносторонних треугольников T-T. Соединение полос 12, 13, 14 может быть осуществлено известными методами, например, сваркой. В такой конструкции по длине внутреннего винтового ротора 4 каждое поперечное (проходное) сечение отличается от предыдущего не только формой сечения (фиг. 13, фиг. 14, фиг. 15, фиг. 16), но и их расположением относительно друг друга, при этом меняется и площадь проходного сечения, что нарушает стационарность движения сред, увеличивает интенсивность теплообменных процессов, расширяет технологические возможности. В такой конструкции внутреннего винтового ротора 4 образованы по внутреннему периметру (фиг. 11) три ломанные винтовые канавки основного направления К (49-50-51-52-53-54); К (55-56-57-58-59); К (60-61-62-63-64) с шагом S и две ломанные винтовые канавки противоположного направления с шагом 0,25 S, одна из которых показана на фиг. 11 утолщенной линией 64-59-53-63-58-52-62-57-51-67
Эти канавки не только способствуют перемещению сред, но и обеспечивают интенсивное перемешивание их потоков, увеличивают интенсивность теплообменных процессов, расширяют технологические возможности.
Наружный винтовой ротор 5 изготовлен, например из трех (фиг. 17, фиг. 18, фиг. 19) одинаковых по ширине и по длине полос 71, 72, 73 (фиг. 17, фиг. 18) или 74, 75, 76 (фиг. 19) свернутых в вертикальной плоскости в продольном направлении и изогнутых по винтовым линиям в поперечном направлении на цилиндрической оправке и соединенных между собой с образованием по периметру винтовой поверхности наружных напусков А, Б, В (фиг. 17, фиг. 18, фиг. 19) в виде винтовых лопастей и изготовлен с наружными криволинейными поверхностями вогнутой 71, 72, 73 формы (фиг. 18) с центрами кривизны снаружи наружного винтового ротора 5 или выпуклой 74, 75, 76 формы (фиг. 19)) относительно оси симметрии наружного винтового ротора 5 с центрами кривизны внутри. Напуски А, Б. В показаны на фиг. 17, фиг. 18, фиг. 19 отделенными от полос штрих-пунктирными линиями 77 с двумя точками.
Линии соединения свернутых в винт полос образуют ясно выраженные, однонаправленные трехходовые с постоянным шагом винтовые линии 78-79, 80-81, 82-83 по периметру наружного винтового ротора 5 цилиндрического винтовой пустотелой рубашки 5 (фиг. 17, фиг. 18, фиг. 19).
1
2
3
1
Полосы 71, 72, 73 или 74, 75, 76 соединяют друг с другом с образованием напусков А, Б, В известными методами, например сваркой, и с образованием по периметру наружного винтового ротора 5 не только винтовых линий 78-79, 80-81, 82-83 по наружному периметру, но и внутренних винтовых канавок К, К, К (фиг. 18, фиг. 19) с постоянным по длине наружного винтового ротора 5 винтовых линий (фиг. 17) шагом S.
1
1
Каждая из полос 71, 72, 73 или 74, 75, 76 скручена в продольном направлении относительно собственной оси симметрии O-O, например полоса 71 на фиг. 20 с продольными боковыми кромками 84 и 85, у которой зафиксирован в горячем или холодном состоянии один из концов и повернут другой конец полосы в заданном направлении. Скрученную таким образом полосу размещают на цилиндрическую оправку 86, как, например, на фиг. 21, фиг. 22, фиг. 23 полосу 71, и изгибают так, чтобы кромки 84 и 85 полосы 71 разместились бы в поперечном направлении по винтовым линиям. При этом полоса 71 деформируется и ее либо снимают с оправки, либо фиксируют на ней в деформированном положении. Аналогичным образом обрабатывают остальные полосы 72 и 73. Далее деформированные таким образом полосы размещают на оправке 86, например как на фиг. 23 полосы 71 и 72, например боковой стороной 85 полосы 72 с штрих-пунктирной с двумя точками линией 77 полосы 71 и соединяют известными способами, например сваркой.
Наружный винтовой ротор 5 (фиг. 24, фиг. 25) может быть выполнен не только из трех, но и более полос с напусками 77, например, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, скрученных по винтовой линии в продольном направлении (фиг. 20) и изогнутых в поперечном направлении (фиг. 21, фиг. 22).
1
1
Каждая из полос 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94 скручена в продольном направлении относительно собственной оси симметрии O-O, например как полоса 71 на фиг. 20 с продольными боковыми кромками 84 и 85, у которой зафиксирован в горячем или холодном состоянии один из концов и повернут другой конец полосы в заданном направлении. Скрученную таким образом полосу размещают на цилиндрическую оправку 86, как, например, на фиг. 21 полосу 71, и изгибают так, чтобы кромки 84 и 85 полосы 71 разместились бы в поперечном направлении по винтовым линиям. При этом полоса 71 деформируется и ее либо снимают с оправки, либо фиксируют на ней в деформированном положении. Аналогичным образом обрабатывают остальные полосы. Далее деформированные таким образом полосы 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94 размещают на оправке 86, например как на фиг. 22, фиг. 23 полосы 71 и 72, например боковой стороной 85 полосы 72 с штрих-пунктирной с двумя точками линией 77 полосы 71 и соединяют известными способами, например сваркой.
Наружный винтовой ротор 5 может быть изготовлен (фиг. 17, фиг. 24) из трех и более свернутых в вертикальной плоскости и последовательно соединенных между собой по длине винтовых полос криволинейной вогнутой (фиг. 18) или выпуклой (фиг. 19) формы относительно оси вращения наружного винтового ротора 5 и описанных кривыми различного порядка и степени кривизны, например, линиями второго порядка кривизны:
2
2
2
2
- эллипсом x/a+y/b=1;
2
- параболой y=2*p*x;
- гиперболой y=к/x;
Линиями третьего порядка кривизны и выше:
3
3
- Декартов лист x+y - 3*a*x*y=0;
3
2
2
- локон Аньези y=a*(α+x);
3
2
- строфоида y=x(a+x)/(a-x);
2
2
2
2
- улитка Паскаля (x+y-2R*x)-а*(x+y)=0 и т.д.;
и линиями n-го порядка кривизны - полиномами.
Линии соединения свернутых в винт таких полос образуют ясно выраженный цилиндрическую многозаходную винтовую поверхность 1 наружного винтового барабана 5 (фиг. 17, фиг. 24).
Аппарат теплообменный работает следующим образом
Горячая среда, например газ, поступает в пространство между винтовыми роторами 4 и 5 и при помощи винтовых линий и винтовых поверхностей основного направления а также напусков приводит внутренний винтовой ротор 4 во вращение, например по часовой стрелке, и выходит через коллектор 7. Холодный газ поступает в пространство между наружным винтовым, ротором 5 и кожухом, приводит винтовой ротор 5 с помощью винтовых линий и винтовых поверхностей, а также напусков во вращение, например против часовой стрелки, причем окружная скорость винтового ротора 5 отличается от окружной скорости винтового ротора 4, так как они (роторы 4 и 5) отличаются не только количеством заходов винтовых линий основного направления, их направлением, но и величиной шага винтовых линий и винтовых поверхностей В результате этого в кольцевых подлостях возникают противонаправленные потоки течения сред, приводящие к разрушению пограничного слоя на тепло-передающих поверхностях и обеспечивающих интенсификацию теплообмена
Этому способствует и пружина с плоским сечением витков, которая способствует завихрению потоков холодной среды и интенсификации теплообменных процессов.
При этом изготовление наружного винтового ротора из полос, описанных кривыми различного порядка и степени кривизны обеспечивает дополнительную интенсификация смешивания сред, а значит, интенсификацию теплообмена при этом кривизна рабочих поверхностей наружного винтового ротора обеспечивает увеличение или уменьшение транспортного эффекта или эффекта смешивания и увеличение мощности взаимодействия потоков.
Таким образом, комбинирование величины и направления параметров винтовых поверхностей винтовых роторов в сочетании с комбинированием характеристик пружины растяжения позволяет управлять сложно-пространственным движением теплообменивающихся сред в аппарате теплообмениом
Технико-экономические преимущества возникают за счет изготовление винтовых роторов с напусками и монтажа пружины растяжения, что расширяет технологические возможности и обеспечивает интенсификацию теплообмена.