ТЕПЛООБМЕННИК
HEAT EXCHANGER

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано в конструкциях рекуперативных теплообменных аппаратов, преимущественно в системе теплоснабжения - в качестве подогревателя сетевой и горячей воды.
Известен кожухотрубный теплообменник, содержащий кожух с расположенными в нем теплообменными трубами, поперечными и продольными перегородками, трубные доски, образующие с кожухом межтрубное пространство, компенсатор, выполненный на кожухе, имеющую внутреннюю перегородку камеру подачи среды в трубы и отвода из них и камеру поворота среды, теплообменник выполнен с возможностью организации движения сред по трубному и межтрубному пространствам в 2 или 4 хода и секционирования, продольная перегородка кожуха выполнена плоской или крестообразной, а поперечные и продольная перегородки кожуха снабжены уплотнениями (см. патент RU №2232940 «Кожухотрубный теплообменник», опубл. 20.07.2004 г.).
Недостатками данного кожухотрубного теплообменника является то, что расположенные в нем для интенсификации теплообмена поперечные и продольные перегородки при постоянной стационарной подаче теплоносителя являются не только источником повышенного гидравлического сопротивления, но и увеличивают склонность теплообменника к образованию наносов и отложений на его внутренней поверхности, относительно большая металлоемкость при обеспечении заданной эффективности.
Известен теплообменник, содержащий корпус с подводящим штуцером и отводящей трубой и размещенную в его полости трубу, выполненную в виде змеевика с прямолинейными начальным и конечным участками, подключенными к подводящему штуцеру и отводящей трубе, корпус выполнен в виде сифона, наполняемого горячей водой из сливной трубы, а змеевик изготовлен из медной трубы с высокой теплоотдачей, навитой пружиной, и соединен с одной стороны через вентиль с подводящей трубой холодной воды, а с другой через трехходовой кран с циркуляционной емкостью, приваренной к электродвигателю, к циркуляционной емкости приварена труба, соединенная через резиновое соединение с накопительной емкостью, к верхней части которой приварена медная труба, врезанная в верхнюю часть циркуляционной емкости и припаянная оловянистым припоем к действующему теплообменнику холодильника, причем змеевик через трехходовой кран может быть соединен с теплообменником газовой колонки (см. патент RU №2410607 «Теплообменник», опубл. 10.04.2009 г.).
Недостатками данной конструкции являются низкий коэффициент теплопередачи в теплообменнике между греющей и нагреваемой средой, отсутствие эффекта самоочищения внутренних пространств циркуляции теплоносителей.
Наиболее близким техническим решением по совокупности существенных признаков является теплообменник, содержащий кожух с подводящим и отводящим патрубками, с закрепленной внутри него трубчатой системой с подводящим и отводящим патрубками, трубчатая система соединена с ее подводящим и отводящим патрубками внутри кожуха через демпферно-упругие элементы и содержит ограничитель хода вынужденных колебаний, установленный на внутренней поверхности трубчатого кожуха, причем в отводящем патрубке трубчатой системы установлен ударный узел (см. патент RU №95814 «Теплообменник», опубл. 10.07.2010 г.).
Устройство данного теплообменника характеризуется относительно малой эффективностью и низкой надежностью из-за узкого диапазона частоты работы ударного узла и сложной настройки частоты (амплитуды) вынужденных колебаний трубчатой системы, демпферно-упругие элементы теплообменника не позволяют наиболее полно использовать эффект гидравлического удара и обладают склонностью на разрыв.
Технический результат заключается в повышении энергоэффективности теплообменника путем интенсификации осуществляемого в нем процесса теплопередачи между греющей и нагреваемой средой, относительном снижении металлоемкости конструкции при обеспечении заданной тепловой нагрузки и увеличении межремонтного срока эксплуатации за счет реализации эффекта самоочищения внутренних пространств циркуляции греющей и нагреваемой сред.
Технический результат достигается за счет того, что в теплообменнике, содержащем кожух с подводящим и отводящим патрубками, с закрепленной внутри него трубчатой системой, с подводящим и отводящим патрубками, демпферно-упругие элементы и ударный узел, 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, 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, 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.
Схема теплообменника представлена на чертеже (фиг.1).
Теплообменник содержит кожух 1 с подводящим 2 и отводящим 3 патрубками, с закрепленной внутри него трубчатой системой 4, с подводящим 5 и отводящим 6 патрубками, демпферно-упругие элементы 7, ударный узел 8, трубчатая система 4 выполнена из двух (и более) змеевиковых труб 9 с прямолинейными начальными 10 и конечными 11 участками.
Количество, материал, а также тепловые и гидравлические характеристики змеевиковых труб 9 определяются заданной тепловой производительностью и назначением теплообменника.
Ударный узел 8 выполнен с каналом выхода 12, коромыслом 13 с осью качения 14 и каналами входа 15 с ударными клапанами 16 на штоках 17 в количестве змеевиковых труб 9.
При этом каждый из каналов входа 15 соединен с каналом выхода 12 через расположенные в них ударные клапаны 16 на штоках 17, которые установлены с возможностью возвратно-поступательного движения между каналами входа 15 и каналом выхода 12 ударного узла 8 и связанных с плечами коромысла 13, расположенного с осью качения 14 в канале выхода 12 ударного узла 8.
Прямолинейные начальные участки 10 змеевиковых труб 9 трубчатой системы 4 подключены к подводящему патрубку 5 трубчатой системы 4 через демпферно-упругие элементы 7, а прямолинейные конечные участки 11 змеевиковых труб 9 подключены к соответствующим каналам входа 15 ударного узла 8.
Теплообменник работает следующим образом (см. фиг.1).
Изначально осуществляют заполнение греющей и нагреваемой средой соответствующих пространств теплообменника, при этом одна из них подается непосредственно в сам кожух 1 через его подводящий 2 и отводящий 3 патрубки, а вторая через подводящий патрубок 5 трубчатой системы 4 распределяется по демпферно-упругим элементам 7 и по соответствующим начальным участкам 10 поступает в змеевиковые трубы 9 трубчатой системы 4, затем, двигаясь по конечным участкам 11 змеевиковых труб 9, поступает к соответствующим каналам входа 15 ударного узла 8 и через ударные клапаны 16 на штоках 17 достигает канала выхода 12 и отводящего патрубка 6 трубчатой системы 4.
Далее обеспечивают циркуляцию греющей и нагреваемой сред и запуск (если он к тому времени автоматически не состоялся) процесса попеременной генерации гидравлических ударов в змеевиковых трубах 9, что может быть обеспечено поворотом коромысла 13 относительно его оси качения 14, например, путем однократного воздействия на его плечо рычагом (на схеме не указан) или же другим способом перекрытия подачи среды через один из ударных клапанов 16.
При этом весь поток среды, движущейся в трубчатой системе 4, естественно поступает к открытому ударному клапану 16 и стремится увлечь его за собой воздействием собственной скорости истечения из открытого канала входа 15 в канал выхода 12 ударного узла 8 и, когда это воздействие окажется достаточным, ударный клапан 16 закроется, а в мгновенно закрытом канале входа 15 возникнет явление гидравлического удара, положительная волна распространения которого будет направлена к подводящему патрубку 6 трубчатой системы 4, но в то же время встречно к сформировавшемуся импульсу количества движения среды и ограничивающей ее змеевиковой трубы 9, которая под его воздействием содрогаясь и изменяя свое межвитковое расстояние, за счет податливости демпферно-упругого элемента 7, во внутреннем пространстве кожуха 1, заполненного второй средой, обеспечит дополнительную турбулизацию движущихся и теплообменивающихся сред в теплообменнике, а следовательно, интенсификацию теплопередачи между ними относительно общей поверхности теплопередачи.
При этом теперь уже полностью закрытый один из ударных клапанов 16 воздействием своего штока 17 на одно плечо коромысла 13 с осью качения 14 обеспечит противоположным плечом полное открытие другого ударного клапана 16 со штоком 17 в соответствующем канале входа 15 ударного узла 8 и циркуляцию среды в трубчатой системе 4 при ее движении из этого открытого канала входа 15 в канал выхода 12 ударного узла 8, а как только сгенерированный к тому времени гидравлический удар достигнет подводящего патрубка 6 трубчатой системы 4, то, отразившись от открытого для движущейся среды проходного канала, образованного демпферно-упругим элементом 7, змеевиковой трубой 9 с ее начальным 10 и конечным 11 участками, открытыми каналом входа 15 и каналом выхода 12 ударного узла 8, исчезнет.
После того как движущаяся из канала входа 15 в канал выхода 12 среда закроет ударный клапан 16, процесс интенсифицированного теплообмена повторится в описанной выше последовательности и будет попеременно осуществляться в змеевиковых трубах 9 с соответствующими начальными 10 и конечными 11 участками и демпферно-упругими элементами 7 до тех пор, пока будет присутствовать подача греющей и нагреваемой сред через теплообменник.
Элементы трубчатой системы 4 со змеевиковыми трубами 9 и соответствующими начальными 10 и конечными 11 участками, демпферно-упругими элементами 7 для сокращения габаритных размеров конструкции теплообменника конструктивно могут быть расположены соосно и радиально расположены относительно друг друга с различным радиусом и шагом навивки змеевиковых труб 9, но при этом, для обеспечения устойчивой работы ударного узла 8 и получения наибольшей эффективности работы теплообменника, должно быть реализовано равенство импульсов количества движения среды в соответствующих сочетаниях этих элементов, что достигается подбором одинакового суммарного объема их заполнения греющей (нагреваемой) средой и/или регулированием жесткости демпферно-упругих элементов 7.
Такая конструкция теплообменника позволяет обратимо использовать подводящий 2 и отводящий 6 патрубки кожуха 1 с подводящим 5 и отводящим 6 патрубками трубчатой системы 4 для греющей и нагреваемой сред, каждая из которых может быть использована в качестве рабочей среды ударного узла 8 и направлена в змеевиковые трубы 9 трубчатой системы 4 или во внутреннее пространство кожуха 1 в зависимости от назначения использования теплообменника.
Данная конструкция теплообменника позволяет не менее чем на 25% интенсифицировать процесс теплообмена между греющей и нагреваемой средами за счет увеличения степени турбулизации их потоков, чем достигается относительное снижение металлоемкости конструкции при обеспечении заданной тепловой нагрузки и реализуется эффект самоочищения внутренних пространств циркуляции греющей и нагреваемой сред, что также позволяет увеличить межремонтный срок эксплуатации теплообменника от 2 до 5 раз.