Дисковый теплообменник
DISK HEAT EXCHANGER

Изобретение относится к рекуперативным теплообменным устройствам для текучих сред и может быть использовано в химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей и пищевой промышленности, энергетике и других отраслях техники для нагревания и охлаждения преимущественно однофазных теплоносителей.
Известен рекуперативный теплообменник типа «труба в трубе» с многозаходными винтовыми ребрами на наружной поверхности внутренней трубы, образующими в межтрубном пространстве винтовые каналы [1]. Движение теплоносителей в винтовых каналах отличается повышенной интенсивностью теплообмена. Данная конструкция является металлоемкой и сложной в изготовлении.
Известен теплообменник с цилиндрической оболочкой, внутри которой размещена теплопередающая поверхность из винтовых ребер, образующих два винтовых канала для теплоносителей [2]. Теплообменник имеет повышенную интенсивность теплообмена. Недостатком его является сложность изготовления и невозможность обеспечить высокие единичные мощности передаваемого теплового потока.
Известны спиральные теплообменники, в которых имеется два спиральных канала, образованных рулонным материалом, навитым по спирали Архимеда вокруг центральной разделительной перегородки [3]. Спиральные теплообменники компактны, в них нет застойных зон у поверхности теплообмена, рабочая среда перемещается по одному каналу большой длины. Гидравлическое сопротивление при одинаковой скорости движения жидкости меньше, чем у широко распространённых кожухотрубчатых теплообменников. Недостатком спиральных теплообменников является сложность их изготовления, высокая удельная металлоемкость и плохая ремонтопригодность.
Известен пластинчатый теплообменник, содержащий теплопередающую поверхность, выполненную в виде пакета из тонких теплопроводящих листов с отверстиями для прохода горячего и холодного теплоносителей, прокладки из эластичного материала между тонкими теплопроводящими листами с образованием чередующихся между собой четных и нечетных щелевых каналов для прохода горячего и холодного теплоносителей, нажимные пластины, входные и выходные штуцеры для теплоносителей, стягивающие шпильки, соединяющие друг с другом нажимные пластины по их периферии [4] - прототип.
Движение теплоносителей в данном пластинчатом теплообменнике осуществляется в щелевых каналах с малым поперечным размером, что способствует повышенной интенсивности теплообмена и компактности устройства. К достоинствам пластинчатого теплообменника относится исполнение теплопередающей поверхности из листового материала малой толщины, что снижает его материалоемкость.
Недостатком известного пластинчатого теплообменника являются сложность его изготовления, малая длина одного хода рабочей жидкости, что во многих случаях приводит к необходимости применять многоходовое ее движение со многими поворотами и, следовательно, к высокому гидравлическому сопротивлению устройства. Допускается работа лишь при близких значениях давлений теплоносителей, чтобы исключить их перетоки из канала в канал и смешение. Причиной возможных перетоков является отсутствие прокладок на части периметра кромки одной из сторон теплопроводящих листов вокруг отверстий и, как следствие, прогибом этой части листов под действием разности давлений теплоносителей.
Техническая проблема, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в упрощении конструкции и повышении эффективности работы устройства.
Поставленная проблема решается тем, что дисковый теплообменник, содержащий теплопередающую поверхность, выполненную в виде пакета из тонких теплопроводящих листов с отверстиями для прохода горячего и холодного теплоносителей, прокладки из эластичного материала между тонкими теплопроводящими листами с образованием чередующихся между собой четных и нечетных щелевых каналов для прохода горячего и холодного теплоносителей, нажимные пластины, входные и выходные штуцеры для теплоносителей, стягивающие шпильки, соединяющие друг с другом нажимные пластины по их обводам, выполнен так, что тонкие теплопроводящие листы и нажимные пластины имеют форму дисков, отверстия для прохода теплоносителей в тонких теплопроводящих листах и штуцеры для прохода теплоносителей попарно расположены в центральной и в периферийной частях дисков, большие прокладки из эластичного материала между тонкими теплопроводящими листами выполнены в виде непрерывной концентрической навивки с образованием спиральных щелевых каналов для теплоносителей, на концах спиральных щелевых каналов имеются проточники, которые примыкают к кромкам тонких теплопроводящих листов вокруг отверстий, установлены дополнительные стягивающие шпильки, размещенные в отверстиях тонких теплопроводящих листов. Кроме того, на плоскостях проточников имеются прокладки из эластичного материала, тонкие теплопроводящие листы имеют канавки для размещения в них проточников, больших и малых прокладок из эластичного материала, тонкие теплопроводящие листы имеют дискретную шероховатость в виде выступов и впадин, внешние замкнутые кольца больших прокладок выполнены армированными.
В отличии от известного устройства [4], исполнение тонких теплопроводящих листов и нажимных пластин в форме дисков, размещение отверстий для прохода теплоносителей в тонких теплопроводящих листах и штуцеров для теплоносителей попарно в центральной и в периферийной частях дисков, выполнение больших прокладок из эластичного материала между тонкими теплопроводящими листами в виде непрерывной концентрической навивки с образованием спиральных щелевых каналов для теплоносителей, наличие на концах спиральных щелевых каналов проточников, которые примыкают к кромкам тонких теплопроводящих листов вокруг отверстий, установка дополнительных стягивающих шпилек, которые размещены в отверстиях тонких теплопроводящих листов, приводят к упрощению конструкции теплообменника, делают ее полностью разборной с высокой степенью унификации. Тонкие теплопроводящие листы имеют двухстороннее зажатие большими и малыми прокладками из эластичного материала и проточниками по всей площади их сопряжения, что обеспечивает надежную работу устройства, без перетоков теплоносителей, при значительных их разностях давлений. Теплообменник является одноходовым, что способствует уменьшению гидравлического сопротивления. Длина спиральных щелевых каналов для теплоносителей может устанавливаться в широких пределах и при необходимости быть достаточно большой. Движение теплоносителей по спиральной траектории приводит к повышению интенсивности теплообмена из-за воздействия на поток центробежных массовых сил.
Наличие на плоскостях проточников прокладок из эластичного материала способствует устранению влияния неровностей плоскостей и неточностей при изготовлении проточников при уплотнении малыми прокладками. Канавки в тонких теплопроводящих листах для размещения в них проточников, больших и малых прокладок из эластичного материала позволяют фиксировать их положение в установленных местах. Дискретная шероховатость в виде выступов и впадин на тонких теплопроводящих листах дополнительно интенсифицируют теплообмен, что в совокупности с интенсифицирующим эффектом от движения теплоносителей по спирали в щелевых каналах позволяет повысить компактность теплообменного устройства. Армирование внешних замкнутых колец больших прокладок расширяет допустимый диапазон рабочих давлений теплоносителей в теплообменнике. Наличие арматуры дает возможность осуществлять работу при повышенных внутренних давлениях в устройстве.
Дисковый теплообменник может работать как по схеме противотока, так и по схеме прямотока.
Таким образом отличительные признаки изобретения позволяют решить поставленную проблему.
Сопоставительный анализ заявляемого технического решения с прототипом показывает, что заявляемое устройство соответствует критерию изобретения «новизна».
Известные теплообменники [1], [2] и [3] имеют сложную конструкцию, не являются полностью разборными и менее эффективны.
Все это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию изобретения «существенные отличия».
Изобретение поясняется чертежами: фиг. 1 - фиг. 8.
На фиг. 1 показан общий вид дискового теплообменника; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - сечение в плоскости четного спирального щелевого канала для теплоносителя; фиг. 4 - сечение в плоскости нечетного спирального щелевого канала для теплоносителя; фиг. 5 - проточник; фиг. 6 - вид слева на фиг. 5; фиг. 7 - элемент 23 на фиг. 2; фиг. 8 - элемент 24 на фиг. 2.
Дисковый теплообменник содержит теплопередающую поверхность, выполненную в виде пакета из тонких теплопроводящих листов 1, и нажимные пластины 2. Тонкие теплопроводящие листы 1 и одна из двух нажимных пластин 2, имеющие форму дисков, имеют соответственно отверстия 3 и штуцеры 4 для прохода горячего и холодного теплоносителей, расположенные попарно в центральной и периферийной частях дисков. Между тонкими теплопроводящими листами расположены прокладки 5 и 6, выполненные из эластичного материала (например, техпластины 2Н-1-ТМКЩ-С-2С). Прокладки 5 выполнены в виде непрерывной концентрической навивки с образованием чередующихся между собой четных и нечетных спиральных щелевых каналов 7. На концах спиральных щелевых каналов 7 имеются проточники 8, которые примыкают к кромкам тонких теплопроводящих листов 1 вокруг отверстий 3. Проточники 8 состоят из двух плоских колец 9, соединенных между собой проставками 10. На плоскостях колец 9 имеются прокладки 11 из того же эластичного материала, из которого изготовлены прокладки 5 и 6. Проточники 8, прокладки 5 и 6 размещаются в канавках 12 тонких теплопроводящих листов 1, как показано на выносках 23 и 24 (фиг. 7, фиг. 8). По обводам нажимных пластин 2 расположены стягивающие шпильки 13. Дополнительные стягивающие шпильки 14 проходят через отверстия 3 в тонких теплопроводящих листах 1 и через входные и выходные штуцеры 4.
Для придания жесткости, нажимные пластины 2 снабжены радиальными 15 и кольцевыми 16 ребрами. На внешних кольцевых ребрах 16 закреплены опорные втулки 17 для гаек 18 стягивающих шпилек 13. Опорные втулки 19 для гаек 20 дополнительных стягивающих шпилек 14 закреплены на крестовинах 21, размещенных на штуцерах 4. В рабочем состоянии дискового теплообменника гайки 18 и 20 находятся в затянутом положении. Возможность работы дискового теплообменника при повышенных давлениях горячего и холодного теплоносителей обеспечивается наличием арматуры 22 во внешних замкнутых кольцах прокладок 5.
Работа дискового теплообменника по схеме противотока осуществляется следующим образом.
Какой-либо теплоноситель, например горячий, поступает через входной штуцер 4, расположенный в центральной части нажимной пластины 2, и, пройдя его, заполняет коллекторное цилиндрическое пространство, образованное отверстиями 3 в тонких теплопроводящих листах 1, малыми прокладками 6 и проточниками 8. Из коллекторного пространства горячий теплоноситель проходит между проставками 10 проточников 8, установленных в начале четных спиральных щелевых каналов 7, перемещается в каналах 7 по спиральной траектории от центра дисков к их периферии. Отдав тепло в процессе теплопередачи через теплопередающую поверхность из тонких листов 1 в форме дисков холодному теплоносителю, поток горячего теплоносителя проходит через проточники 8, установленные в конце четных спиральных щелевых каналов 7, и поступает в сборное коллекторное цилиндрическое пространство, соединенное с выходным штуцером, расположенным на периферии дисковой нажимной пластины 2. Таким образом, горячий теплоноситель проходит через дисковый теплообменник от центрального коллекторного пространства до периферийного множеством параллельных потоков в четных спиральных щелевых каналах 7.
Холодный теплоноситель поступает через входной штуцер 4, расположенный на периферии нажимной пластины 2, в коллекторное пространство, являющееся продолжением входного штуцера 4, откуда через проточники 8, расположенные в нечетных спиральных щелевых каналах 7, множеством параллельных потоков перемещается по спиральной траектории в каналах встречно горячему теплоносителю, протекающему в смежных четных каналах. В процессе теплопередачи через тонкие теплопроводящие листы 1 холодный теплоноситель нагревается и через проточники 8, расположенные вокруг отверстий в центральной части тонких теплопроводящих листов, поступает в сборное коллекторное пространство, соединенное с выходным штуцером 4 на нажимной пластине 2, и выводится через этот выходной штуцер 4.
Таким образом, каждый из теплоносителей, горячий и холодный, перемещается в дисковом теплообменнике по своей обособленной системе включающей входной и выходной штуцеры, раздающее и сборное коллекторные пространства, проточники вокруг коллекторных пространств, совокупность параллельных четных и нечетный спиральных щелевых каналов.
2
3
2
3
2
3
Пример исполнения предлагаемого устройства. При расстоянии между тонкими теплопроводящими листами 3 мм дисковый теплообменник имеет удельную площадь теплопередачи, отнесенную к единице объема теплообменника, равной 333 м/м, а при расстоянии между тонкими теплопроводящими листами 2 мм данный параметр составит 500 м/м. Для сравнения отметим, что данный показатель компактности для современных энергетических теплообменников составляет величину 150 м/м, то есть существенно меньше, чем для предлагаемого устройства.
3
Удельный весовой показатель предлагаемого дискового теплообменника, теплопередающая поверхность которого выполнена из листов, например, поликарбоната толщиной 0,25 мм с расстоянием между листами 3 мм, составляет 250 кг/м, что гораздо меньше значений данного показателя для используемых в промышленности теплообменников общего назначения с теплопередающей поверхностью из металла.
Предлагаемое устройство имеет следующие преимущества:
• конструкция проста и технологична в изготовлении;
• высокая степень унификации;
• высокая ремонтопригодность;
• компактность и малый вес;
• интенсифицированный теплообмен при умеренном гидравлическом сопротивлении;
• возможность работы при повышенных давлениях теплоносителей;
• возможность изменять площадь поверхности теплопередачи в процессе эксплуатации путем добавления или удаления тонких теплопроводящих листов;
• малая загрязняемость поверхности теплопередачи из-за отсутствия застойных зон.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР № 1062496. Кл. F28D 7/10, опубл. 23.12.83, бюл. 47.
2. Патент RU № 2269080. МПК F28D 7/10, опубл. 27.01.2006.
3. Барановский Н. В. Пластинчатые и спиральные теплообменники / Н.В. Барановский, Л.М. Коваленко, А.Р. Ястребенецкий - М.: Машиностроение, 1973. с. 265.
4. Тимонин А. С. Машины и аппараты химических производств / А.С. Тимонин, Б.Г. Балдин, В.Я. Борщев, Ю.И. Гусев и др. - Калуга: Изд-во Н.Ф. Бочкаревой, 2008. с. 486, рис. 6.1.3.1.