ПЛАСТИНЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННЫЙ АППАРАТ

Полезная модель относится к теплотехнике, а именно к пластинчатым теплообменным аппаратам, и может быть использована в энергетике, нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, пищевой и других отраслях промышленности для нагрева или охлаждения жидких и газообразных сред.
Известен пластинчатый теплообменник для осуществления теплообмена между двумя теплоносителями, содержащий корпус с расположенными в нем параллельно друг другу прямоугольными теплообменными пластинами, жестко соединенными по контуру и коллекторным отверстиям в один или несколько пакетов с образованием двух систем каналов для теплоносителей, по которым один из теплоносителей попадает в межпластинные щелевые каналы через коллекторные отверстия, а другой - в смежные межпластинные щелевые каналы, соединенные по теплоносителю с внутренним пространством корпуса. Аппарат снабжен прижимными плитами, между которыми размещены пакеты пластин, установленные в коробах, через которые выведены патрубки, сообщающиеся с коллекторными отверстиями пластин. Между каждой прижимной плитой и смежным с нею коробом установлены уплотнительные прокладки (см. патент РФ на полезную модель №98 556, МПК F28D 9/00, опубл. 20.10.2010, бюл. №29).
К достоинствам описанной конструкции теплообменника можно отнести высокую эффективность теплообмена и возможность эффективной промывки теплообменных пластин со стороны загрязненного теплоносителя.
Недостатком известного теплообменника является ограниченная возможность работы при высоких давлениях теплообменных сред из-за модульной прямоугольной конструкции корпуса, требующей повышенной надежности стяжек и уплотнительных узлов.
Наиболее близкой к заявляемой (прототипом) является конструкция пластинчатого теплообменника, включающая цилиндрический корпус с торцевой крышкой и расположенные в нем параллельно друг другу круглые теплообменные пластины, жестко соединенные по контуру и коллекторным отверстиям в пакет с образованием двух систем каналов для теплоносителей. На торцевой крышке корпуса установлены патрубки для подачи и отвода одного теплоносителя через коллекторные отверстия теплообменных пластин, а на цилиндрической части корпуса - патрубки для подачи и отвода второго теплоносителя из внутреннего пространства аппарата (см. патент США №7 004 237, МПК F28F 7/00, опубл. 28.02.2006).
При работе известного теплообменного аппарата один из теплоносителей попадает в межпластинные щелевые каналы через коллекторные отверстия теплообменных пластин, а второй - в смежные межпластинные щелевые каналы.
В отличие от рассмотренного выше аналога, данный теплообменный аппарат пригоден для работы при высоких давлениях теплообменных сред.
Однако его существенным недостатком является низкая эффективность теплообмена на круглых теплообменных пластинах по сравнению с прямоугольными пластинами из-за снижения скоростей теплоносителя на круглой пластине в направлении от ее оси, проходящей через центры коллекторных отверстий, к периферии пластины. В результате значительная часть поверхности круглых пластин имеет пониженный теплообмен и представляет собой застойные зоны.
Другим недостатком известного аппарата является отсутствие возможности эффективной промывки теплообменных поверхностей пластин со стороны загрязненного теплоносителя.
В основу полезной модели поставлена задача повышения эффективности процесса теплообмена в аппарате за счет исключения застойных зон на теплообменных поверхностях пластин, обеспечения возможности эффективной промывки теплообменных поверхностей пластин, а также расширения функциональных возможностей аппарата.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в пластинчатом теплообменном аппарате, содержащем цилиндрический корпус с, по меньшей мере, одной торцевой крышкой, расположенные в корпусе параллельно друг другу теплообменные пластины, преимущественно круглой формы, жестко соединенные по контуру и коллекторным отверстиям в пакет с образованием двух систем каналов, по которым первый теплоноситель попадает в межпластинные щелевые каналы через коллекторные отверстия, а второй - в смежные межпластинные щелевые каналы, соединенные по нему с внутренним пространством корпуса аппарата, установленные на торцевой крышке корпуса патрубки для подачи и отвода первого теплоносителя через коллекторные отверстия теплообменных пластин, а на самом корпусе патрубки для подачи и отвода второго теплоносителя из внутреннего пространства аппарата, согласно полезной модели, между коллекторными отверстиями теплообменных пластин установлены разделительные перегородки, а сами коллекторные отверстия смещены вдоль указанных разделительных перегородок от центра пластин к их периферии, при этом разделительные перегородки образуют в периферийной части пластин, противоположной направлению смещения смежных с ними коллекторных отверстий, переточные каналы.
В предпочтительном варианте реализации полезной модели разделительные перегородки установлены в зонах прохождения обоих теплоносителей.
Еще в одном варианте реализации полезной модели разделительные перегородки установлены с обеспечением зигзагообразного движения теплоносителей в межпластинных щелевых каналах.
В другом рекомендуемом варианте конструкции разделительные перегородки выполнены в виде выштампованных на теплообменных пластинах канавок, зеркально расположенных друг по отношению к другу и снабженных герметизирующими вставками.
Еще в одном варианте реализации полезной модели патрубки для подачи и отвода первого теплоносителя соединены с линией подачи пара, а в зоне переточных каналов в теплообменных пластинах выполнены дополнительные коллекторные отверстия для отвода образуемого конденсата из теплообменника.
Установка разделительных перегородок на теплообменных пластинах и смещение коллекторных отверстий вдоль указанных перегородок от центра пластин к их периферии с образованием в периферийной части пластин, противоположной направлению смещения смежных с ними коллекторных отверстий, переточных каналов, позволяет принудительно направлять теплоноситель последовательно по всем частям теплообменной поверхности каждой пластины. При этом исключаются застойные зоны и, как следствие, значительно повышается эффективность теплообмена в аппарате.
Установка разделительных перегородок в зонах прохождения обоих теплоносителей позволяет создать организованное движение теплоносителя не только внутри попарно сваренных теплообменных пластин, но и со стороны пространства корпуса аппарата.
Установка разделительных перегородок с обеспечением зигзагообразного движения теплоносителей в межпластинных щелевых каналах позволяет несколько раз изменять направление движения теплоносителя по поверхности теплообмена до того, как он покинет указанную поверхность. Такая конструкция рекомендуется при применении в теплообменнике пластин относительно большого диаметра, когда оказывается целесообразным разбить их поверхность на оптимальные по ширине участки для прохождения теплоносителя и за счет этого повысить эффективность теплообмена.
Выполнение разделительных перегородок в виде выштампованных на теплообменных пластинах канавок, зеркально расположенных друг по отношению к другу и снабженных герметизирующими элементами, характеризуется простой технологией изготовления и обеспечивает одновременную установку указанных перегородок с двух сторон каждой теплообменной пластины. При этом герметизирующие элементы могут выниматься из канавок при промывке теплообменных поверхностей пластин, что значительно повышает эффективность промывки.
Соединение патрубков подачи и отвода первого теплоносителя с линией подачи пара и выполнение в теплообменных пластинах в зоне переточных каналов дополнительных коллекторных отверстий для отвода образуемого конденсата из теплообменника позволяет использовать теплообменник в качестве конденсатора, что расширяет область применения заявляемой конструкции.
Перечисленные конструктивные особенности заявляемого теплообменного аппарата устраняют недостатки рассмотренных выше известных конструкций, обеспечивая тем самым решение поставленной задачи.
Полезная модель иллюстрируется прилагаемыми чертежами, на которых изображены:
фиг.1 - заявляемый теплообменный аппарат в сборе;
фиг.2 - вид сверху на пакет теплообменных пластин, каждая из которых снабжена одной двухсторонней разделительной перегородкой (герметизирующие вставки в канавках разделительных перегородок не показаны);
фиг.3 - сечение по А-А фиг.1;
фиг.4 - теплообменная пластина с двумя разделительными перегородками (герметизирующие вставки в канавках разделительных перегородок не показаны);
фиг.5 - теплообменная пластина, предназначенная для использования в теплообменном аппарате, работающем в режиме конденсатора (герметизирующие вставки в канавках разделительных перегородок не показаны);
фиг.6 - вариант заявляемого аппарата для работы в режиме конденсатора.
Пластинчатый теплообменный аппарат (фиг.1) содержит цилиндрический корпус 1 со съемной крышкой 2. Внутри корпуса 1 размещен пакет 3 круглых, преимущественно однотипных, теплообменных пластин 4, 5 (фиг.2, 3), жестко соединенных по контуру и коллекторным отверстиям с образованием двух систем каналов для теплоносителей. На крышке 2 установлены патрубки 6, 7 соответственно для подачи и отвода теплоносителя I, а на цилиндрической стенке корпуса 1 - патрубки 8, 9 для подачи и отвода теплоносителя II.
Теплообменные пластины 4, 5 (фиг.2, 3) сварены попарно и снабжены коллекторными отверстиями 10 для подачи теплоносителя I во внутреннее пространство указанных пар пластин, а также коллекторными отверстиями 11 для отвода теплоносителя I из внутреннего пространства пар пластин. Между коллекторными отверстиями 10, 11 с обеих сторон пластин 4, 5 установлены разделительные перегородки 12, выполненные в виде выштампованных на теплообменных пластинах канавок 13, зеркально расположенных друг по отношению к другу и снабженных герметизирующими вставками 14. Сами коллекторные отверстия 10, 11 смещены вдоль разделительных перегородок 12 от центра пластин к их периферии. При этом разделительные перегородки образуют в периферийной части пластин 4, 5, противоположной направлению смещения смежных с ними коллекторных отверстий 10, 11, переточные каналы 15.
На фиг.4 показана теплообменная пластина 16, которая является вариантом пластин 4, 5 и отличается от них наличием двух разделительных перегородок 17, 18, образующих в периферийных частях пластины переточные каналы 19, 20. Для образования теплообменного пакета пластины 16 попарно свариваются с пластинами, разделительные перегородки и коллекторные отверстия на которых имеют по отношению к пластинам 16 зеркальное расположение (на чертежах не показаны).
На фиг.5 показана теплообменная пластина 21, предназначенная для использования в теплообменном аппарате, работающем в качестве конденсатора. Эта пластина отличается от теплообменных пластин 4, 5 тем, что снабжена под перегородкой 12 коллекторным отверстием 22 для отвода из коллекторного пространства пластин образуемого конденсата.
Пластинчатый теплообменный аппарат (фиг.6), работающий в качестве конденсатора, имеет много общего с аппаратом, изображенным на фиг.1. Отличия заключаются в том, что внутри корпуса 1 размещен пакет 23 круглых, преимущественно однотипных, теплообменных пластин, снабженных коллекторными отверстиями 22 (фиг.5). Кроме того, на крышке 2 корпуса 1 установлен дополнительный патрубок 24 для отвода конденсата из аппарата, а оба патрубка 6, 7 соединены с линией подачи пара.
Заявляемый теплообменный аппарат работает следующим образом.
В конструкции аппарата, показанной на фиг.1-3, теплоноситель I поступает через патрубок 6 в коллекторные отверстия 10 теплообменных пластин 4, 5, откуда направляется в межпластинные щелевые каналы во внутреннем пространстве сваренных по контуру пар пластин (фиг.3) и отводится из аппарата через коллекторные отверстия 11 и патрубок 7. Одновременно теплоноситель II поступает через патрубок 8 в смежные межпластинные щелевые каналы между парами пластин 4, 5, соединенные по теплоносителю с внутренним пространством корпуса аппарата 1, и после осуществления процесса теплообмена с теплоносителем I отводится из корпуса через патрубок 9.
Как показано на фиг.2, в процессе теплообмена теплоноситель I, попадая через коллекторные отверстия 10 на теплообменную поверхность пластин 4, 5, сначала проходит вниз по левым половинам указанных пластин, а затем через переточные каналы 15, образованные разделительными перегородками 12 в периферийной части пластин, попадает на правые половины пластин, движется по их поверхности вверх и отводится через коллекторные отверстия 11.
При этом благодаря разделительным перегородкам 12, снабженным герметизирующими вставками 14 (фиг.3), исключается проскок теплоносителя I между коллекторными отверстиями 10, 11 в зоне их расположения на пластинах 4, 5, и теплоноситель I движется по всей площади теплообменных поверхностей пластин.
Одновременно теплоноситель II поступает через патрубок 8 в смежные межпластинные щелевые каналы, соединенные по теплоносителю с внутренним пространством корпуса 1 аппарата, и после осуществления процесса теплообмена с теплоносителем I отводится из корпуса через патрубок 9. При этом характер движения теплоносителя II по межпластинным щелевым каналам такой же, как и у теплоносителя I, благодаря конструкции разделительных перегородок 12 (фиг.3), зеркально расположенных друг по отношению к другу и снабженных герметизирующими вставками 14. которые разделяют поверхности пластин 4, 5 как с внутренней стороны попарно сваренных пластин, так и со стороны пространства корпуса аппарата 1. Движение теплоносителя I может осуществляться в прямотоке или противотоке к теплоносителю I.
Таким образом, в заявленной конструкции аппарата устраняются застойные зоны на всех теплообменных поверхностях и обеспечивается эффективный теплообмен между теплоносителями I и II.
При необходимости промывки теплообменных поверхностей пластин 4, 5 со стороны теплоносителя II пакет пластин 3 извлекается из корпуса аппарата 1, а из канавок 13 разделительных перегородок 12 вынимаются герметизирующие вставки 14, образуя каналы для отвода промывной жидкости в центральной части пластин. В результате оказывается возможным промывать сначала одну половину теплообменной поверхности каждой из пластин 4, 5, а затем их вторую половину, что существенно увеличивает эффективность промывки, так как вдвое уменьшается длина промываемых каналов и, следовательно, их гидравлическое сопротивление.
При использовании в теплообменнике конструкции пластины 16, показанной на фиг.4, движение теплоносителя I определяется разделительными перегородками 17 и 18. Попадая через коллекторные отверстия 10 на теплообменную поверхность пластин, он проходит вниз по левой трети поверхности, затем через переточные каналы 19 попадает на центральный участок пластин, и движется по нему вверх. Далее теплоноситель I попадает через переточные каналы 20 на правую треть поверхности пластин, движется по ней вниз и отводится через коллекторные отверстия 11.
Характер движения теплоносителя II по межпластинным щелевым каналам такой же, как и у теплоносителя I, и может осуществляться в прямотоке или противотоке к последнему.
Промывка теплообменных поверхностей пластин 16 и спаренных с ними пластин со стороны теплоносителя II производится аналогично описанной для пакета 3 пластин 4, 5.
Теплообменный аппарат, показанный на фиг.5-6, работает как конденсатор. В нем оба патрубка 6, 7 подключены к линии подачи пара. Пар является теплоносителем I и попадает на теплообменную поверхность пластин 21 сразу через оба коллекторных отверстия 10, 11. Далее пар движется по пластинам 21 вниз в два потока по разные стороны разделительной перегородки 12, участвуя в процессе теплообмена с теплоносителем II, который подается в корпус аппарата 1 через патрубок 8 и отводится из него через патрубок 9. Образующийся конденсат попадает в коллекторные отверстия 22, предусмотренные в нижней части пластин 21, и отводится из аппарата через патрубок 24, установленный на съемной крышке 2 корпуса 1.
В остальном работа описанного теплообменника-конденсатора, в том числе и промывка пакета пластин 23, аналогична работе конструкции теплообменного аппарата, изображенной на фиг.1-3.
Следует отметить, что полезная модель не ограничивается описанными выше конструкциями теплообменного аппарата, приведенными лишь в качестве примеров его использования. В заявляемом объеме существенных признаков полезной модели возможны другие компоновки пакетов пластин, а также другие конструктивные варианты создания на теплообменных пластинах разделительных перегородок и переточных каналов. Присущая для всех вариантов реализации полезной модели особенность конструкции заключается в организации за счет разделительных перегородок последовательного прохождения теплоносителями всей поверхности теплообмена пластин, исключающего застойные зоны и пониженный теплообмен на указанных поверхностях. Кроме того, конструкции по полезной модели обеспечивают эффективную промывку пакетов пластин за счет уменьшения длины промываемых каналов, а, следовательно, и их гидравлического сопротивления.
Заявленный теплообменный аппарат может эксплуатироваться как в вертикальном, так и в горизонтальном положениях, и использоваться для охлаждения и нагрева различных жидкостей и газов, а также в качестве конденсатора и испарителя. Эффективность теплообмена у заявленного аппарата на 30-35% выше, чем у известных аналогов.