ПЕРЕКРЕСТНОТОЧНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК

Полезная модель относится к теплотехнике, а именно к перекрестноточным теплообменным аппаратам, и может быть использована в энергетике, нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической и других отраслях промышленности для нагрева или охлаждения жидких и газообразных сред, а также в процессах конденсации и испарения.
Известен перекрестноточный теплообменник, содержащий пакет теплообменных пластин, включающий множество прямоугольных гофрированных пластин, жестко соединенных между собой по плоским периферийным кромкам таким образом, что каждая пара смежных пластин соединена по двум противоположным кромкам, лежащим в одной плоскости, а пары пластин соединены между собой по двум другим кромкам, лежащим в другой плоскости. При этом по сторонам пакета, ограниченным кромками теплообменных пластин, образуются полости для входа и выхода теплоносителей в теплообменные каналы. Гофры в двух смежных пластинах расположены в перекрестном направлении, образуя при этом точки опор по вершинам гофров, обеспечивающих жесткость пакета пластин при перепадах давлений между теплоносителями (см. патент США №4099928, МКл. В 21 D 053/00, опубл. 11.07.1978).
Для разделения потоков теплоносителей в известной конструкции теплообменника предусмотрена герметизация углов пакета пластин окунанием их в ванну с герметиком.
Существенным недостатком рассмотренной конструкции является неремонтопригодность пакета при необходимости замены теплообменных пластин на новые. Кроме того, цельносварная конструкция пакета пластин теплообменника существенно усложняет его сборку. При этом герметизация углов пакета требует наличия дополнительных
конструктивных элементов для крепления пакета к корпусу теплообменника.
Известен теплообменник, в котором разделение потоков теплоносителей в пакетах пластин осуществляется при помощи гребенчатых уплотнительных планок, приваренных к углам пакета. При этом упомянутые гребенчатые планки могут быть использованы для крепления пакета пластин к корпусу аппарата (см. патент России №2104848, МКл. В 23 К 31/02, опубл. 20.02.1998).
Недостатком данной конструкции является сложность ее практической реализации при сборке пакета с числом пластин более 20 шт., так как совмещение большого количества кромок пластин с соответствующими прорезями в гребенчатых планках трудноосуществимо.
Наиболее близкой по технической сущности является выбранный заявителем за прототип перекрестноточный пластинчатый теплообменник, включающий корпус, содержащий боковую стенку, выполненную из элементов, верхнюю и нижнюю крышки, патрубки для подвода и отвода теплоносителей, закрепленный в корпусе при помощи соединительных элементов теплообменный пакет, состоящий из гофрированных пластин, жестко соединенных между собой по плоским периферийным кромкам с образованием чередующихся по высоте пакета и не сообщающихся между собой смежных теплообменных каналов для прохождения теплоносителей в поперечном направлении друг к другу, имеющих в углах вертикальные края, приваренные встык друг к другу при сборке пакета, причем вертикальные края пластин приварены к вертикальным стойкам, образуя при этом раздельные полости для теплоносителей. К вертикальным стойкам с помощью резьбовых соединений крепятся плоские элементы боковой стенки корпуса теплообменника (см. патент США №4719970, МКл. F 28 F 003/08, опубл. 19.01.1988).
К недостаткам известной конструкции относится то, что применение в ней цельносварного пакета пластин усложняет установку перегородок между пакетом и корпусом, необходимых для формирования заданного количества ходов по трактам теплоносителей.
Использование плоских элементов боковой стенки корпуса в известной конструкции приводит к увеличению металлоемкости аппарата, к сужению области его применения. Кроме того, прямоугольные коллекторные камеры, образованные плоскими элементами боковой стенки и- пакетом пластин способствуют неравномерному распределению потоков теплоносителей в теплообменных каналах, снижая при этом эффективность работы теплообменника.
Крепление двух смежных элементов боковой стенки корпуса к стойке в рассматриваемой конструкции осуществляется поочередно по высоте стойки, что ограничивает возможное количество шпилек для крепления каждой стенки корпуса к стойке, снижая при этом допускаемый диапазон применения аппарата по рабочему давлению.
Технической задачей, на решение которой направлена полезная модель, является создание технологичной ремонтопригодной конструкции перекрестноточного пластинчатого теплообменника с эффективным использованием теплообменной поверхности, а также снижение его металлоемкости при работе с высокими параметрами теплоносителей.
Решение технической задачи достигается тем, что, перекрестноточный теплообменник, включающий корпус, содержащий боковую стенку, выполненную, преимущественно, из однотипных элементов, верхнюю и нижнюю крышки, патрубки для подвода и отвода теплоносителей, закрепленный в корпусе при помощи соединительных элементов теплообменный пакет, выполненный в виде параллельно расположенных прямоугольных гофрированных пластин, жестко соединенных между собой по плоским периферийным кромкам с образованием чередующихся по
высоте пакета и не сообщающихся между собой смежных теплообменных каналов для прохождения теплоносителей в поперечном направлении друг к другу, стойки, согласно полезной модели, элементы боковой стенки соединены друг с другом при помощи фланцевых соединений с образованием цилиндрической обечайки, причем во фланцевых соединениях закреплены стойки, а теплообменный пакет выполнен из отдельных теплообменных блоков, каждый из которых содержит группу гофрированных теплообменных пластин, заключенных между плоскими пластинами, причем в углы каждого из теплообменных блоков вварены гребенчатые планки, расположенные преимущественно в радиальном направлении и прикрепленные к стойкам.
При этом, стойки образуют совместно с фланцевыми соединениями уплотнения типа «шип-паз» или «выступ-впадина».
Кроме того, толщина плоских пластин превышает в 3-5 раз толщину теплообменных пластин. Теплообменные блоки жестко соединены между собой по плоским пластинам и по смежным сторонам гребенчатых планок, например, сваркой или пайкой. К крайним плоским пластинам пакета приварены ограничительные пластины, толщина которых в 3-10 раз превышает толщину плоских пластин.
Соединение элементов боковой стенки корпуса друг с другом при помощи фланцевых соединений с образованием цилиндрической обечайки позволяет снизить массу аппарата за счет уменьшения толщины стенок корпуса, а также сформировать совместно с прямоугольным пакетом пластин коллекторные камеры, имеющие в поперечном сечении форму сегмента, что обеспечивает равномерное распределение теплоносителей в каналах пакета и, в конечном счете, эффективное использование теплообменной поверхности.
Соединение элементов боковой стенки корпуса друг с другом при помощи фланцевых соединений обеспечивает вместе с закрепленными в них стойками, приваренными к гребенчатым планкам, надежную
герметизацию корпуса, а также надежное разделение полостей взаимодействующих теплоносителей.
Выполнение теплообменного пакета из теплообменник блоков позволяет:
- существенно упростить сборку пакета пластин, используя одно технологическое устройство, фиксирующее теплообменный блок по наружным кромкам и высоте при сварке пластин между собой, при этом сборка пакета пластин технологического устройства не требует;
- производить при сборке пакета соединение теплообменных блоков между собой по периметру плоских пластин сваркой или пайкой;
- производить ремонт пакета пластин, заменяя теплообменные блоки удалением наружных сварных швов, соединяющих блоки между собой;
- упростить установку перегородок в коллекторных камерах, приваривая их к торцам плоских пластин.
Наличие ограничительных пластин обеспечивает жесткость пакета в направлении, перпендикулярном плоскости теплообменных пластин.
Перечисленные особенности полезной модели теплообменника позволяют устранить недостатки рассмотренных выше известных конструкций, обеспечивая тем самым решение поставленной задачи.
Полезная модель иллюстрируется чертежами.
На фиг.1 - изображен перекрестноточный теплообменник в сборе;
На фиг.2 - вид по стрелке А фиг.1;
На фиг.3 - пакет теплообменных пластин в сборе;
На фиг.4 - вид по стрелке Б фиг.3;
На фиг.5 -теплообменный блок;
На фиг.6 - фрагмент вида сверху на фиг.5;
На фиг.7 - узел крепления промежуточной перегородки к пакету пластин;
На фиг.8 - узел В фиг.3 (увеличено);
На фиг.9 - узел крепления гребенчатой планки к крайнему теплообменному блоку;
На фиг.10 - узел соединения пакета пластин с боковыми стенками корпуса теплообменника и уплотнением типа «шип-паз»;
На фиг.11 - узел соединения пакета пластин с боковыми стенками корпуса теплообменника и уплотнением типа «выступ-впадина»;
На фиг.12 - конструкция узлов уплотнения между крышками, пакетом пластин и боковыми стенками корпуса теплообменника;
На фиг.13 - размещение уплотнительных прокладок в крышке корпуса теплообменника.
Теплообменник содержит корпус, состоящий из боковых стенок 1, верхней и нижней крышек 2 и патрубков 3, 4, 5, 6 подвода и отвода соответственно первого и второго теплоносителей (патрубки на фиг.1 условно повернуты). Боковые стенки 1 корпуса включают прямолинейные фланцы 7, при помощи которых они соединяются между собой, образуя цилиндрическую обечайку, а также кольцевые фланцы 8, к которым с помощью резьбовых элементов 9 крепятся крышки 2.
В корпусе размещен пакет теплообменных пластин 10, состоящий из теплообменных блоков 11. Цилиндрические боковые стенки корпуса 1 совместно с прямоугольным пакетом пластин 10 образуют коллекторные камеры 12, имеющие в поперечном сечении форму сегмента.
Пакет пластин включает гребенчатые планки 13, приваренные к угловым зонам теплообменных пластин и стойкам 14, промежуточные перегородки 15.
Каждый теплообменный блок содержит группу гофрированных теплообменных пластин 16 в количестве 10-20 штук, причем пары пластин соединены роликовой контактной сваркой по противоположным кромкам 17, а пары пластин соединены аргонодуговой сваркой по двум противоположным кромкам 18. Сверху и снизу теплообменный блок содержит плоские пластины 19, толщина которых в 3-5 раз превышает
толщину теплообменных пластин 16. В углах пластин теплообменного блока для разделения потоков теплоносителей приваривают гребенчатые планки 13, причем выступающая за габариты пластин часть гребенчатых планок имеет изгиб под углом 45°. При этом гребенчатые планки приварены к торцам угловых зон 20 плоских пластин 19 таким образом, что верхний и нижний торцы 21 гребенчатых планок лежат в одной плоскости с пластинами 19.
Теплообменные блоки 11, формирующие пакет теплообменных пластин, соединяются между собой сваркой по смежным кромкам 22 плоских пластин 19 и смежным торцам 21 гребенчатых планок 13.
Промежуточные перегородки 15, организующие необходимое количество ходов по трактам теплоносителей, присоединяются сваркой к торцам плоских пластин 19. Для исключения перетоков теплоносителей по зазорам между перегородками и боковыми стенками корпуса периферийные кромки перегородок 15 снабжены узлами уплотнения 23.
Сверху и снизу пакета пластин установлены ограничительные пластины 24), толщина которых в 3-10 раз превышает толщину плоских пластин 19. Ограничительные пластины 24, обеспечивающие жесткость пакета пластин при воздействии давления в теплообменных каналах, соединяются с плоскими пластинами 19 сваркой по периметру смежных кромок 25. К ограничительным пластинам 24 приварены рамки 26 с угловыми элементами 27 из профиля прямоугольного поперечного сечения, которые являются составляющими узла уплотнения между пакетом пластин и крышками корпуса.
Гребенчатые планки 13, жестко соединенные сваркой с нижним и верхним теплообменными блоками, присоединены сваркой к углам 28 ограничительных пластин 24 и торцам 29 угловых элементов 27 таким образом, что верхняя и нижняя торцевые кромки гребенчатых планок лежат в одной плоскости с угловыми элементами 27, рамками 26 и торцами стоек 14.
При сборке теплообменника стойки 14, жестко соединенные с гребенчатыми планками 13, размещаются между прямолинейными фланцами 7 боковых стенок корпуса. Узлы уплотнения 30 обеспечивают герметичность разборной обечайки корпуса, исключая при этом возможность перетоков между полостями 31, 32 теплоносителей. Кроме того, пакет 10 надежно фиксируется относительно корпуса теплообменника.
После сборки обечайки с размещенным в ней пакетом теплообменных пластин 10 к кольцевым фланцам 8 боковых стенок, резьбовыми элементами 9 крепятся верхняя и нижняя крышки 2. При этом уплотнительные прокладки 33 в узлах уплотнения между крышками и пакетом пластин, крышками и кольцевыми фланцами 34 обечайки размещены в одной плоскости.
Перекрестноточный теплообменник работает следующим образом.
Первый теплоноситель (I) поступает через патрубок 3 в коллекторную камеру 12, откуда направляется в теплообменные каналы пакета пластин 10.
При одноходовой схеме компоновки первый теплоноситель (I), пройдя через теплообменные каналы всего пакета, поступает в коллекторную камеру и покидает теплообменник через выходной патрубок. В данном случае входной и выходной патрубки расположены на противоположных боковых стенках корпуса.
При многоходовой схеме компоновки с установленными в коллекторных камерах промежуточными перегородками первый теплоноситель (I) направляется в группу теплообменных каналов, составляющую часть пакета пластин. При выходе из упомянутой группы каналов первый теплоноситель (I) в коллекторной камере изменяет направление движения на противоположное и направляется в следующую группу каналов, таким образом проходя последовательно весь пакет теплообменных пластин, после чего покидает теплообменник через выходной патрубок 4.
Второй теплоноситель (II) поступает через входной патрубок 5 в коллекторную камеру и далее - в теплообменные каналы пакета пластин, пройдя коллекторную камеру, он удаляется из теплообменника через патрубок 6.
При прохождении через теплообменные каналы пакета пластин осуществляется процесс теплообмена между первым и вторым теплоносителями.
В предлагаемой конструкции группы каналов в каждом ходу теплоносителей могут формироваться одним или несколькими теплообменными блоками.
При четной схеме компоновки, т.е. при количестве ходов по тракту теплоносителя равном двум, четырем, шести и т.д., патрубки входа и выхода расположены на одной боковой стенке корпуса, при нечетной схеме компоновки, т.е. при количестве ходов равном одному, трем и т.д. входной и выходной патрубки размещены на противоположных боковых стенках корпуса.
При многоходовой схеме компоновки, направляя первый теплоноситель в верхний патрубок, а второй теплоноситель - в нижний, осуществляется противоточная схема движения теплоносителей, как показано на фиг.1. При прямоточной схеме оба теплоносителя направляются в верхние или нижние патрубки.
Использование в теплообменнике промежуточных перегородок позволяет осуществить любую схему течения теплоносителей в зависимости от их параметров, расходов и допускаемых потерь давления по каждому из теплоносителей, достигая при этом максимальной теплогидравлической эффективности теплообменника.
В теплообменнике крышки могут быть жестко присоединены при помощи сварки к пакету теплообменных пластин. При этом диаметр крышек равен внутреннему диаметру обечайки, а кольцевые фланцы обечайки присоединяются резьбовыми элементами к торцам крышек.
Кроме того, патрубки подвода и отвода теплоносителей могут быть установлены в крышках корпуса аппарата.
Теплообменник может эксплуатироваться как в вертикальном, так и в горизонтальном положении, и использоваться для охлаждения и нагрева жидкостей и газов, а также, в качестве конденсаторов и испарителей.
Полезная модель упрощает монтаж и демонтаж теплообменника, снижает металлоемкость, особенно при работе с высокими параметрами теплоносителей и эффективно увеличивает теплообменную поверхность.