ТЕПЛООБМЕННИК ДЛЯ СИСТЕМ НАГРЕВА И ОХЛАЖДЕНИЯ

Полезная модель относится к теплоэнергетике, в частности, к теплообменикам для теплообмена между тремя несмешивающимися теплоносителями при последовательном контакте через разделяющие их стенки, и может быть использована для нагрева и охлаждения в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха в жилых и производственных помещениях, а также в холодильных установках с камерным и локальным охлаждением.
Важными условиями функционирования теплообменных устройств, которые должны учитываться при их разработке и последующей эксплуатации, являются, во-первых, обеспечение оптимальной эффективности теплообменного процесса (тепловая мощность, давление, температура и расход теплоносителя) для заданных условий эксплуатации, во-вторых, возможность регулирования процесса теплообмена с учетом изменения условий эксплуатации при неизменных параметрах на входе в теплообменник, в-третьих, простота конструкции в сочетании с невысокой стоимостью применяемых материалов и теплообменных устройств в целом, и, в-четвертых, удобство и надежность в процессе эксплуатации, в т.ч. при обслуживании и ремонте.
Известен модульный теплообменник (Патент RU №2042911, F24D 9/00, дата публикации 27.08.1995 г.), состоящий из корпуса коробчатой формы, образующего камеру теплообмена. Корпус выполнен с открытыми торцами, на одном из которых закреплено днище. Внутри корпуса над днищем размещены теплообменные элементы в виде пакета пластин с уплотнителями между ними, образующими раздельные проточные каналы для двух теплоносителей. На противоположном торце корпуса указанный пакет зафиксирован съемной крышкой. Корпус содержит, по меньшей мере, один разъем, а также входные и выходные отверстия для двух теплоносителей, выполненные с возможностью соединения с коллекторами. Эффективность теплообмена регулируется как за счет изменения объема камеры теплообмена путем подбора соответствующего количества пластин и уплотнителей в пакете, так и за счет изменения организации движения теплоносителя - по схемам прямотока, противотока или перекрестных потоков - путем разных вариантов подачи теплоносителей через входные и выходные отверстия в корпусе.
Теплообменник может использоваться с одним пакетом в корпусе, а также в сборе из нескольких пакетов. В сборном варианте исполнения съемные крышки размещены между пакетами пластин с уплотнителями и сверху замыкающего пакета. При этом съемные
крышки являются перегородками, задающими схемы потока теплоносителя в близлежащих пакетах, а также перераспределяют усилия давления между стенками корпуса. Такой вариант исполнения позволяет реализовать многоконтурную схему теплообмена.
Известный теплообменник позволяет обеспечить эффективность теплообменного процесса для заданных условий эксплуатации, а также возможность его регулирования с учетом изменения этих условий при неизменных параметрах на входе в теплообменник как за счет изменения объема камеры теплообмена - при изменении количества пластин и уплотнений в пакетах, так и за счет изменения схемы движения теплоносителей - при изменении взаимного расположения пакетов.
Недостатками известного теплообменника являются:
- ограниченная область применения, обусловленная конструктивным исполнением, исключающим его использование в системах, в которых теплопередача осуществляется от корпуса непосредственно в объект обслуживания;
- большая материалоемкость и сложность конструкции, обусловленная применением толстостенных деталей для изготовления корпуса и наличием значительного количества деталей в теплообменных пакетах, что существенно увеличивает стоимость его изготовления;
- сложность технического обслуживания и ремонта в процессе эксплуатации, обусловленная необходимостью демонтажа и последующего монтажа большого количества деталей.
В совокупности указанные недостатки существенно ограничивают функциональные возможности теплообменника-аналога.
Известен теплообменник (Патент RU №1531615, F28D 1/00, дата публикации 10.07.2006 г.), состоящий из корпуса коробчатой формы, образующего камеру теплообмена, и расположенного внутри корпуса трубчатого теплообменного элемента с закрепленными на нем ребрами, при этом корпус и трубчатый теплообменный элемент выполнены с возможностью раздельного подвода и отвода теплоносителей. Корпус выполнен прямоугольной формы с открытыми торцами, которые соединены с газовой магистралью. Трубчатый теплообменный элемент выполнен изогнутым в форме змеевика и содержит гофрированные ребра, между которыми смонтированы пластины с отбуртовками для крепления к внутренним стенкам корпуса. Две противоположные стенки корпуса выполнены с полуцилиндрическими выемками, соединенными с дополнительными полуцилиндрическими элементами, образующими распределительные коллекторы для подвода и отвода теплоносителя в трубчатый теплообменный элемент.
Теплообменник применяется в системах для нагрева и охлаждения жидкостей на стационарных и автономных объектах.
Известный теплообменник позволяет обеспечить эффективность теплообменного процесса для заданных условий эксплуатации и отличается простотой конструкции и удобством обслуживания в процессе эксплуатации.
Недостатками известного теплообменника являются:
- ограниченная область применения, обусловленная конструктивным исполнением, исключающим его использование в системах, в которых теплопередача осуществляется от корпуса непосредственно в объект обслуживания, а также в системах, в которых первичным теплоносителем является жидкость;
- отсутствие возможности регулирования процесса теплообмена с учетом изменения условий эксплуатации при неизменных параметрах на входе в теплообменник;
- сравнительно большая материалоемкость, обусловленная применением толстостенных деталей для изготовления корпуса.
В основу полезной модели поставлена задача создания такого теплообменника для систем нагрева и охлаждения, в котором за счет иного конструктивного исполнения корпуса, образующего камеру теплообмена, иного исполнения и размещения в корпусе трубчатого теплообменного элемента, а также оснащения стенок корпуса ребрами, обеспечиваются повышение эффективности теплообмена и расширение области применения в сочетании с простотой конструкци, невысокой стоимостью изготовления и эксплуатации.
Поставленная задача решается тем, что в теплообменнике, состоящем из корпуса коробчатой формы, образующего камеру теплообмена, и расположенного внутри корпуса трубчатого теплообменного элемента с закрепленными на нем ребрами, при этом корпус и трубчатый теплообменный элемент выполнены с возможностью раздельного подвода и отвода теплоносителей посредством распределительных коллекторов, согласно полезной модели корпус выполнен замкнутой коробчатой формы, на наружных поверхностях, по меньшей мере, двух противоположных боковых стенок корпуса закреплены ребра, расположенные с некоторым шагом друг относительно друга и перпендикулярно к поверхности этих стенок, а трубчатый теплообменный элемент размещен со смещением к одной из торцевых стенок корпуса.
Для повышения эффективности теплообмена и снижения его массы корпус и ребра выполнены из тонкого листового металла, не взаимодействующего с применяемым теплоносителем, например, алюминия.
Для упрощения конструкции и снижения стоимости изготовления при одновременном обеспечении необходимых прочностных качеств стенки корпуса соединены в короб посредством заклепочных соединений.
Для повышения надежности в процессе эксплуатации в зоне заклепочных соединений между прилегающими друг к другу поверхностями кромок стенок корпуса расположен герметик, например, силиконовый.
Для упрощения конструкции и снижения стоимости изготовления на одной из стенок корпуса выполнено, по меньшей мере, одно отверстие для подвода и отвода теплоносителя в камеру теплообмена.
Для повышения эффективности теплообмена количество и высота ребер, закрепленных на корпусе, выбираются из условия, при котором общая площадь их поверхности не менее общей площади поверхности стенок корпуса.
Для упрощения конструкции и снижения стоимости изготовления ребра выполнены в виде, например, П-образных профилей, закрепленных на упомянутых стенках корпуса через перемычку профиля посредством заклепочного соединения, включающего не менее трех заклепок по длине каждого ребра.
1
2
Для упрощения конструкции и снижения стоимости изготовления ребра закреплены на противоположных стенках корпуса симметрично друг относительно друга или с некоторым смещением, например, на / шага.
Для повышения надежности в процессе эксплуатации в зоне заклепочного соединения между прилегающими друг к другу поверхностями перемычек ребер и упомянутых стенок корпуса расположен герметик, например, силиконовый.
Для повышения эффективности теплообмена и снижения стоимости изготовления трубчатый теплообменный элемент выполнен, например, из медной трубки U-образной или S-образной формы с последовательно чередующимися участками сужения и расширения внутреннего канала.
Для повышения эффективности теплообмена и снижения стоимости изготовления ребра на трубчатом теплообменном элементе закреплены с заданным шагом перпендикулярно к внутренней поверхности стенок корпуса и выполнены, например, из плоских пластин.
Совокупность общих и отличительных существенных признаков заявляемой полезной модели позволяет реализовать в теплообменнике высокую эффективность теплообменного процесса для заданных условий эксплуатации, а также его регулирование с учетом изменения этих условий при неизменных параметрах на входе в теплообменник за счет изменения количества теплообменников в системе. Указанный результат
достигается в сочетании с небольшими габаритными размерами и массой теплообменника, простотой конструкции, невысокой стоимостью, а также удобством и технологичностью монтажа и обслуживания в процессе эксплуатации. Выполнение корпуса и ребер в виде плоских поверхностей, соединенных между собой внахлестку, позволяет в качестве заготовок использовать тонкостенный листовой металл, что существенно снижает трудоемкость изготовления и ремонта теплообменника.
В нижеприведенных примерах рассматривается конструктивное исполнение теплообменника и схем его применения в системах теплообмена. Теплообменник может использоваться для теплообмена между средами: жидкость-жидкость-жидкость, жидкость-жидкость-воздух и воздух-жидкость-воздух. В качестве жидкого теплоносителя в камере теплообмена могут применяться незамерзающие жидкости (пропиленгликоль, этиленгликоль) или масло, в трубчатом теплообменном элементе - горячая и холодная вода, незамерзающие жидкости (пропиленгликоль, этиленгликоль) или хладагенты для холодильной техники (кроме аммиака).
Сущность полезной модели поясняется представленными фигурами чертежа, где на фиг.1 - общий вид теплообменника; на фиг.2 - схема использования теплообменника в качестве источника тепла; на фиг.3 - схема использования теплообменника в качестве источника охлаждения.
Теплообменник (фиг.1) состоит из корпуса 1 замкнутой коробчатой формы, образованного соединением стенок 2, 3, 4 и 5 посредством заклепок 6. При этом верхняя стенка 4 образована нахлесточным соединением отбуртовок боковых стенок 2 и 3, а торцевые стенки 7 и 8 - аналогичным соединением отбуртовок четырех стенок 2, 3, 4 и 5. Поверхности в зонах соединения упомянутых стенок загерметизированы герметиком, например, силиконовым, или уплотнительными прокладками (не показаны). Внутренняя полость корпуса 1 является камерой теплообмена (не обозначена). На стенке 4 имеется отверстие 9 для подвода теплоносителя в камеру теплообмена и отвода из нее, которое в рабочем состоянии теплообменника герметизируется, например, винтовой пробкой (не показана).
1
2
На боковых стенках 2 и 3 перпендикулярно к их поверхностям с заданным шагом закреплены ребра 01, выполненные в виде П-образных профилей с перемычкой 11 и вертикальными поверхностями 12, которые вместе со стенками корпуса 1 образуют теплообменные поверхности. Крепление ребер 10 к стенкам 2 и 3 выполнено посредством не менее трех заклепок 13. Ребра 10 на противоположных стенках 2 и 3 расположены со смещением друг относительно друга на / шага. Между поверхностями перемычек 11 и прилегающими к ней поверхностями стенок 2 и 3 содержится силиконовый герметик (не
показан). Длина каждого ребра 10 соответствует длине стенки 2 и 3, а суммарная площадь вертикальных поверхностей 12 больше общей площади наружной поверхности корпуса 1.
Внутри корпуса 1 смонтирован трубчатый теплообменный элемент 14, выполненный из трубки U-образной формы с последовательно чередующимися участками сужения и расширения внутреннего канала. Указанный элемент 14 расположен со смещением к торцевой стенке 8 с образованием между ним и противоположной торцевой стенкой 7, а также боковыми стенками 2, 3, 4 и 5 свободных полостей. Концевые части 15 и 16 трубчатого теплообменного элемента 11 закреплены на торцевой стенке 8 и выполнены с возможностью их соединения с распределительными колекторами (не показаны). На трубчатом теплообменном элементе 14 жестко закреплены плоские ребра 17. Указанные ребра расположены с одинаковым шагом и перпендикулярно стенкам корпуса 1. Высота и ширина ребер 17 меньше соответствующих размеров корпуса 1.
2
2
2
В рассмотренном примере корпус 1 и ребра 10 выполнены из листового алюминия марки АМЦН-2 толщиной 0,5 мм. Габаритные размеры корпуса: без ребер - 550×280×15 мм, с ребрами - 550×280×75 мм. Высота П-образного профиля - 30 мм, ширина его перемычки - 12 мм. Количество ребер на каждой стенке - 13 штук. Площадь поверхности теплообмена: корпуса - 0,324 м, ребер - 0,437 м, общая - 0,761 м. Трубчатый теплообменный элемент 14 и закрепленные на нем плоские ребра 17 выполнены из меди.
Теплообменник работает следующим образом.
Пример 1. Теплообменник используется в качестве источника тепла (фиг.2).
Исполнение теплообменника: трубчатый теплообменный элемент 14 выполнен из медной трубки U-образной формы с последовательно чередующимися участками сужения и расширения внутреннего канала и расположен со смещением к торцевой стенке 8 корпуса 1, его концевые части 15 и 16 закреплены на торцевой стенке 8 и выполнены с возможностью их соединения с распределительными колекторами.
В камеру теплообмена 9 корпуса 1 через отверстие 9 (фиг.1) заливается жидкий теплоноситель, например, пропиленгликоль, после чего отверстие герметизируется винтовой пробкой (не показана). Концевые части 15 и 16 трубчатого теплообменного элемента 14 подключаются к коллекторам источника тепловой энергии, например, системы циркуляции горячей воды централизованного отопления 18. Проходя через трубчатый теплообменный элемент 14, горячая вода в процессе теплового взаимодействия с его стенками и плоскими ребрами 17 передает часть тепловой энергии теплоносителю в камере теплообмена, а через него - теплообменной поверхности, образованной стенками корпуса 1 и ребрами 10. Высокая эффективность теплообмена в первичном контуре теплообмена достигается за счет выполнения трубчатого теплообменного элемента 14 с
последовательно чередующимися участками сужения и расширения внутреннего канала, что придает потоку теплоносителя турбулентный характер, и увеличения его площади теплообмена посредством плоских ребер 17, а во вторичном контуре - за счет увеличения более чем в два раза поверхности теплообмена корпуса 1 с закрепленными на нем ребрами 10. Отработанный теплоноситель выводится из трубчатого теплообменного элемента 14 через его концевую часть 16 и циркуляционным насосом 20 возвращается в в систему центрального отопления 18. Для повышения эффективности теплообмена, например, в системах вентиляции или кондиционирования, может использоваться принудительный наружный обдув теплообменника посредством вентилятора (не показан). Указанная схема позволяет использовать теплообменник для теплообмена в небольших помещениях, в локальных зонах помещений или в системах вентиляции и кондиционирования.
Пример 2. Теплообменник используется в качестве источника охлаждения (фиг.3).
Исполнение теплообменника: трубчатый теплообменный элемент 14 выполнен из медной трубки S-образной формы с последовательно чередующимися участками сужения и расширения внутреннего канала (не показано) и расположен со смещением к одной торцевой стенке корпуса 1, его концевые части 15 и 16 закреплены на противоположных торцевых стенках (не обозначены) корпуса 1 и выполнены с возможностью их соединения с распределительными колекторами.
Теплообменники размещаются в камерах 21, например, в витринах для скоропортящихся продуктов холодильных установок 22. В камеры теплообмена каждого теплообменника через отверстие 9 (фиг.1) заливается жидкий теплоноситель, например, пропиленгликоль, после чего отверстия герметизируется винтовыми пробками (не показаны). Для регулирования процесса теплообмена с учетом изменения условий эксплуатации при неизменных параметрах на входе в теплообменник в каждой камере 21 монтируются локальные системы охлаждения, включающие теплообменник, циркулярный насос 23, датчик температуры 24 и вентилятор 25. Локальные системы охлаждения через концевые части 15 и 16 трубчатого теплообменного элемента 14 подключаются к системе циркуляции хладагента, которая содержит расширительный бачок 26 и циркулярный насос 27. Процесс теплообмена между теплоносителями осуществляется аналогично рассмотренному выше примеру. Отработанный хладагент выводится из трубчатых теплообменных элементов 14 в систему циркуляции хладагента, возвращаясь в холодильную установку 22. Схема подключения теплообменника может дополняться устройствами для защиты от замерзания.
Предлагаемая конструкция теплообменника является универсальной, т.к. может использоваться для нагрева и охлаждения в системах отопления, вентиляции и
кондиционирования воздуха в жилых и производственных помещениях, а также в холодильных установках с камерным и локальным охлаждением. Теплообменник обладает высокой эффективностью теплообмена, а также возможностью регулирования процесса теплообмена с учетом изменения условий эксплуатации при неизменных параметрах на входе в теплообменник. При этом теплообменник отличается простотой конструкции, имеет небольшие габаритные размеры и невысокую стоимость изготовления в сочетании с удобством и технологичностью монтажа и обслуживания в процессе эксплуатации.