ОСЕВОЙ ТЕПЛООБМЕННИК
AXIAL HEAT EXCHANGER

Область техники
Изобретение относится с осевому теплообменнику, предназначенному для теплообмена между двумя средами, предпочтительно газовой средой и жидкой средой, наиболее предпочтительно - между воздухом и водой. Более конкретно, изобретение относится к теплообменнику, предназначенному для регулировки температуры воздуха и кондиционирования воздуха в заданном пространстве, предпочтительно внутри помещения.
Предпосылки создания изобретения
Введение
Передача тепла представляет собой очень распространенную операцию, сопровождающую природные явления и человеческую деятельность. Теплопередача зависит, главным образом, от трех различных механизмов, а именно: теплопроводности, конвекции и излучения.
Теплопередача посредством теплопроводности по существу не связана с каким-либо наблюдаемым движением материи. В металлических твердых телах имеет место движение свободных электронов, в жидкостях имеет место перенос импульса между молекулами, а в газах имеет место молекулярная диффузия (беспорядочное движение молекул). Теплопередача путем конвекции представляет собой по существу макроскопическое явление, которое является результатом перемешивания элементов жидкости, причем естественная конвекция может быть обусловлена различиями в плотности, а принудительная конвекция может быть обусловлена механическими средствами. Теплопередача путем излучения по существу характеризуется наличием электромагнитных волн. Все материалы излучают тепловую энергию. Когда излучение попадает на второе тело, оно проходит насквозь, отражается или поглощается. Поглощенная энергия проявляется в теле как тепло.
Передача тепла в большинстве теплообменников происходит, главным образом, за счет теплопроводности и, возможно, конвекции, когда тепло проходит через один или несколько слоев материала, пока не достигнет потока жидкости или газа, поглощающих тепло. Однако в некоторой степени могут участвовать и другие механизмы теплопередачи. Обычно слой или слои материала имеют разную толщину и различную удельную теплопроводность. Поэтому при проектировании теплообменника важно знать полный коэффициент теплопередачи. При известном полном коэффициенте теплопередачи необходимую площадь теплопередачи вычисляют интегрированием уравнения баланса энергии в поперечном сечении теплообменника.
Имеется много различных конструкций теплообменников. Наиболее распространенными являются трубчатый теплообменник, пластинчатый теплообменник и шнековый кристаллизатор-теплообменник. Выбор материала для конструкции зависит от сферы применения. В пищевой промышленности преобладающими материалами являются нержавеющая или кислотостойкая сталь или еще более экзотические материалы, такие как титан, который типично используется для жидкостей, содержащих хлориды. В теплообменниках для других отраслей промышленности может оказаться достаточным использование мягкой стали.
Пластинчатые теплообменники часто используются в случае, когда среда имеет низкую вязкость и предъявляются умеренные требования к рабочей температуре и давлению, типично ниже 150°С и 25 бар. Материал для прокладок выбирают таким, чтобы он мог выдерживать рабочую температуру и состав рабочей жидкости. В пищевой промышленности пластинчатые теплообменники обычно используются для пастеризации молока и соков и работают при температурах ниже 100°С и давлениях ниже 15 бар.
Трубчатые теплообменники обычно используются в случае высоких температур и давлений. Кроме того, трубчатые теплообменники используются в случаях, когда жидкость содержит частицы, которые могут забить каналы пластинчатого теплообменника. В пищевой промышленности трубчатые теплообменники обычно используются для стерилизации молока и соков и работают при температурах до 150°С. Трубчатые теплообменники также используются со средами с вязкостью от умеренной до высокой, включающими макрочастицы, например при приготовлении томатного соуса, томатной пасты и рисового пудинга. В некоторых из этих случаев рабочее давление может превышать 100 бар. Частицы размером до 10-15 мм не создают проблем для трубчатых теплообменников.
Шнековые кристаллизаторы-теплообменники используются в случаях, когда вязкость очень высока, жидкость содержит крупные комья или весьма серьезными являются проблемы загрязнения. В пищевой промышленности шнековые кристаллизаторы-теплообменники используются, например, при приготовлении таких продуктов, как земляничный джем, в котором присутствуют целые ягоды. Обработка в теплообменнике происходит настолько деликатно, а падение давления настолько мало, что ягоды проходят систему лишь с незначительными повреждениями. Однако шнековые кристаллизаторы-теплообменники наиболее дорогие и поэтому используются только тогда, когда нельзя использовать пластинчатые и трубчатые теплообменники.
Уровень техники
В US 5251603 описана система охлаждения топлива для автомобиля, содержащая топливный бак (2) для подачи топлива в двигатель (Е) автомобиля, охлаждающий испаритель (12), компрессор (8) системы охлаждения для кондиционирования воздуха, и теплообменник (15), расположенный между топливопроводом (3b) и трубой (13) для испарившегося охладителя, см., например, колонку 2, строки 45-66 и фиг.1. Теплообменник (15) состоит из коаксиальных внутренней и наружной труб (17, 18) и, например, спиральных теплопередающих ребер, расположенных в пространстве между внутренними и наружными трубами (17, 18), см. например, колонку 3, строки 4-64 и фиг.2-4. В такой конструкции топливо, текущее через возвратную трубу (3b), которая проходит между двигателем (Е) и топливным баком (2), вынуждено протекать через пространство между внутренней и наружной трубами (17, 18), а испарившийся охладитель с низкой температурой вынужден течь через внутреннюю трубу (17) теплообменника. На внутренней трубе закреплены теплообменные ребра, например, расположенные в продольном направлении и имеющие волнообразное поперечное сечение. Теплообмен между топливом и охладителем осуществляется через внутреннюю трубу, в результате чего топливо эффективно охлаждается.
В US 107922 описано смещенное полосковое ребро (42) для использования в компактных автомобильных теплообменниках (30). Смещенное полосковое ребро (42) имеет множество поперечных рядов рифлей, расположенных в осевом направлении, причем рифли в соседних рядах перекрываются так, что граничный с маслом слой непрерывно возобновлялся. Размеры ребер оптимизированы для достижения максимального отношения теплопередачи к падению давления в осевом направлении. В одном из аспектов изобретения компактный концентрический трубчатый теплообменник (30) имеет смещенное полосковое ребро (42), расположенное в кольцевом проходе для потока жидкости и находящееся между двумя концентрическими трубами (32, 34), см., например, от колонки 5, строка 44 до колонки 7, строка 6 и фиг.1-4.
Теплообменники, описанные в US 5251603, по существу представляют собой трубчатые теплообменники. Эти теплообменники сравнительно малы, что позволяет устанавливать их в небольшом пространстве внутри автомобиля. Так как площадь теплопередачи ограничена, для обеспечения достаточного теплообмена требуется большая разность температур между двумя теплообменными средами. Подтверждением этого является использование компрессора (8) для испарения охлаждающей среды, что приводит к существенному охлаждению охладителя, который течет внутри внутренней трубы (17).
В WO 03/085344 описан теплообменный узел, содержащий внутреннюю трубу (3), образующую первый канал (24) для первой жидкости, и наружную трубу (1), полностью окружающую внутреннюю трубу (3) и расположенную параллельно ей, определяя тем самым второй канал (25) для второй жидкости. Между наружной стенкой внутренней трубы (3) и внутренней стенкой наружной трубы (1) проходят ребра (2). Ребра (2) объединены только с внутренней трубой (3), см., например, реферат на стр.1 и фиг.1-2.
Теплообменник в WO 03/085344 по существу является трубчатым. Теплопередача происходит через стенку и ребра (2) внутренней трубы (3). Однако, как видно на разрезе теплообменника на фиг.1-2, стенка и ребра (2) внутренней трубы (3) сравнительно толстые. Поэтому материал стенки и ребра должны иметь высокую удельную теплопроводность, чтобы обеспечить хороший теплообмен. Кроме того, толстые ребра (2) внутренней трубы (3) уменьшают площадь, имеющуюся в наличии в трубе (3) для теплопередачи через ее стенку и ребра. Как правило, при уменьшении площади теплопередачи для сохранения хорошего теплообмена нужно увеличить разность между температурами жидкостей. Альтернативой является повышение давления и/или усиление потока для одной среды или обеих сред. Это особенно актуально, если теплообменник, как и описанный в WO 03/085344, используется для теплообмена между газовой средой и жидкой средой или между двумя газовыми средами. Газовая среда имеет меньшую плотность, чем жидкая, и потому обычно не приспособлена для переноса, получения или испускания такого же количества энергии на единицу объема, что и жидкая среда. Это означает, что для теплопередачи в газовую среду и из газовой среды обычно требуется большая площадь теплопередачи по сравнению с площадью, необходимой для передачи того же количества энергии в жидкую среду или из жидкой среды за то же самое время.
В патенте US 5753342 описана теплообменная система, содержащая корпус (20) наружного канала и вентилятор (24) на одном конце. Теплообменник, содержащий две вставленные одна в другую трубы (28, 30), установлен в одну линию с каналом (20) вентилятора (24). Каждая труба (28, 30) имеет ребра (38, 46), проходящие радиально наружу, и ребра (40, 48), проходящие радиально внутрь. Проходящие радиально внутрь ребра (40) на наружной трубе (28) и проходящие радиально наружу ребра (46) на внутренней трубе (30) чередуются. Торцевые крышки (32, 34), установленные на концах труб, имеют перегородки (54, 56, 58, 68, 70), разделяющие кольцевые коллекторы (60, 62), образованные между трубами (28, 30) и между концами ребер (38, 40, 46, 48) и торцевыми крышками (32, 34), в результате чего вдоль теплообменника создаются четыре прохода.
Внутренняя труба (30) определяет внутренний проход по центру трубы (30). В этот проход выходят ребра (48), проходящие радиально внутрь. В двух торцевых крышках (32, 34) имеются отверстия (72, 74), расположенные по одной линии с проходом через внутреннюю трубу (30). Вентилятор (24) подает воздух через внутреннее пространство теплообменника, а также наружу вокруг теплообменника в виде потока в продольном направлении устройства, см. колонку 2, строки 58-65.
Этот теплообменник аналогичен описанному в WO 03/085344, однако имеет трубы с более тонкими стенкой и ребрами и потому материал, из которого изготовлены эти элементы, может иметь меньшую теплопроводность, чем в теплообменнике согласно WO 03/085344. Однако в обоих теплообменниках большая часть поперечного сечения занята стенкой и ребрами внутренней трубы. Это сужает проход для газа, жидкости или другой среды, которая должна проходить через теплообменник, и поэтому приходится повышать давление среды.
Описанным выше известным теплообменникам присущи один или нескольких из следующих недостатков: малая площадь теплообмена, большая разность температур, малое сечение для протекания среды, большой расход среды, большое давление среды.
Поэтому известные теплообменники не годятся для теплообмена между медленно текущей газовой средой и потоком жидкости или жидкой среды с небольшой разностью температур; особенно они не подходят для использования в качестве теплообменников для регулировки температуры воздуха, медленно текущего через теплообменник, с целью регулировки температуры и кондиционирования воздуха в заданном пространстве, предпочтительно внутри помещения.
Сущность изобретения
Согласно изобретению, предлагается усовершенствованный осевой теплообменник для теплообмена между газовой средой и жидкостью или жидкой средой и теплообменные системы, содержащие такие каналы.
Осевой теплообменник, выполненный согласно изобретению, содержит продольный и проходящий по существу вдоль оси наружный канал для протекания первой газовой среды и множество по существу параллельных внутренних каналов для протекания второй жидкой среды, причем внутренние каналы расположены в наружном канале так, что они проходят внутри указанного наружного канала по существу в осевом направлении с обеспечением возможности теплопередачи между указанными первой газовой средой и второй жидкой средой, при этом по меньшей мере один внутренний канал соединен по меньшей мере с одним удлиненным листом, который проходит по существу в осевом направлении вдоль указанного внутреннего канала так, что по существу совпадает с направлением протекания первой газовой среды в наружном канале, а теплообменник содержит центральный канал, проходящий по существу вдоль центра или центральной оси теплообменника, для распределения второй жидкой среды по внутренним каналам.
По меньшей мере один конец внутреннего канала может быть соединен с распределительным каналом посредством соединительного канала, который расположен в той же плоскости, что и удлиненный лист, для снижения возможного воздействия на по существу продольный и осевой поток указанной первой газовой среды.
По меньшей мере два листа, проходящие в первом по существу осевом направлении в наружном канале, могут отходить во втором радиальном направлении по существу наружу от центра или центральной оси теплообменника к наружному каналу.
Лист может иметь по существу удлиненную прямоугольную форму, при этом внутренний канал может быть присоединен по существу в продольном и осевом направлении к середине или приблизительно к середине листа.
Стенка указанного наружного канала может быть выполнена из тонкого листового материала, например брезента, ткани, фольги или пленки, или из усадочной ленты, усадочного оберточного материала, пенопласта или поропласта, или в виде усадочной трубки.
Наружный канал может представлять собой вентиляционный ствол, вентиляционный шахтный ствол, вентиляционную шахту, вентиляционную трубу, вентиляционный трубопровод или аналогичное устройство.
В соответствии с одним вариантом выполнения изобретения теплообменная система содержит по меньшей мере два осевых теплообменника, выполненных, как описано выше, которые соединены последовательно с обеспечением возможности протекания первой газовой среды через наружный канал первого теплообменника в наружный канал следующего теплообменника и так далее через каждый последовательно соединенный теплообменник, при этом осевые теплообменники имеют первое распределительное устройство и второе распределительное устройство для соединения с подводящим канальным устройством, расположенным по существу вдоль последовательно соединенных теплообменников для обеспечения протекания второй жидкой среды через внутренние каналы каждого осевого теплообменника.
В соответствии с другим вариантом выполнения изобретения теплообменная система, содержащая по меньшей мере два осевых теплообменника, которые соединены параллельно с обеспечением возможности по существу одновременного параллельного протекания первой газовой среды через наружные каналы параллельных теплообменников, при этом каждый осевой теплообменник имеет первое распределительное устройство и второе распределительное устройство для соединения с подводящим канальным устройством, расположенным по существу вдоль соединенных теплообменников для обеспечения протекания второй жидкой среды через внутренние каналы каждого осевого теплообменника.
В такой теплообменной системе по меньшей мере один конец параллельных теплообменников может быть соединен с общим параллельным распределительным устройством, обеспечивающим по существу одновременное параллельное и, возможно, принудительное протекание первой газовой среды через параллельные теплообменники.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показан вид в перспективе внутренней теплообменной структуры 100 согласно первому варианту осуществления изобретения.
На фиг.2 показан в перспективе разрез по линии Х-Х внутренней теплообменной структуры 100, изображенной на фиг.1.
На фиг.3 показан вид в перспективе внутренней теплообменной структуры 300 согласно второму варианту осуществления изобретения.
На фиг.4 показан в перспективе разрез по линии Y-Y внутренней теплообменной структуры 300, изображенной на фиг.3.
На фиг.5а показано множество осевых теплообменников А2 согласно второму варианту осуществления изобретения, изображенному на фиг.3-4.
На фиг.5b показано множество осевых теплообменников А1 согласно первому варианту осуществления изобретения, изображенному на фиг.1-2.
На фиг.6a схематично показано сечение теплообменника А1, изображенного на фиг.1-2.
На фиг.6b схематично показано сечение теплообменника А2, изображенного на фиг.3-4.
На фиг.6c схематично показано сечение осевого теплообменника согласно третьему варианту осуществления изобретения.
На фиг.6d схематично показано сечение осевого теплообменника согласно четвертому варианту осуществления изобретения.
На фиг.6e схематично показано сечение осевого теплообменника согласно пятому варианту осуществления изобретения.
На фиг.6f схематично показано сечение осевого теплообменника согласно шестому варианту осуществления изобретения.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
Первый вариант осуществления изобретения
На фиг.1 показана в перспективе внутренняя теплообменная структура 100 согласно первому варианту осуществления изобретения. Эта теплообменная структура 100 показана также на фиг.2 в перспективе и с разрезом по линии Х-Х на фиг.1. На фиг.2 внутренняя теплообменная структура 100 расположена внутри наружной канальной структуры 200. Наружная канальная структура 200 и расположенная в ней внутренняя теплообменная структура 100 на фиг.2 образуют осевой теплообменник А1 согласно первому варианту осуществления изобретения.
Изображенная на фиг.2 наружная канальная структура 200 имеет цилиндрическую или трубчатую форму. Внутренний диаметр наружного канала, образованного каналом структуры 200, может составлять приблизительно 100-500 миллиметров, более предпочтительно - приблизительно 100-300 миллиметров, а наиболее предпочтительно - приблизительно 100-200 миллиметров. Стенка наружного канала структуры 200 может иметь толщину несколько миллиметров, предпочтительно менее двух миллиметров. Толщина стенок и диаметр могут быть иными. Длина наружного канала структуры 200 может составлять приблизительно 400-3000 миллиметров, более предпочтительно - приблизительно 500-2000 миллиметров, а наиболее предпочтительно - 600-1500 миллиметров, но канал может иметь другую длину. Очевидно, что форма и сечение наружной канальной структуры 200 могут отличаться; главное, чтобы внутри нее находилась внутренняя теплообменная структура 100 и чтобы первая среда могла течь вдоль осевого теплообменника А1 по меньшей мере в одном канале для среды, более предпочтительно - в нескольких каналах 210 для среды, которые образованы между внутренней теплообменной структурой 100 и стенкой наружной канальной структуры 200. Наружная канальная структура 200 предпочтительно предназначена для прохождения газовой среды, предпочтительно воздуха или аналогичного газа. Каналы 210 для среды также показаны на схематичном сечении осевого теплообменника А1 на фиг.6а. Видно, что среда (например, воздух) может течь в каналах 210 в том или ином из двух возможных направлений.
Стенка наружного канала структуры 200 на фиг.2 предпочтительно выполнена из легкого материала, например алюминия или пластмассы, углеродного волокна или аналогичного материала. Кроме того, предпочтительно, чтобы стенка наружного канала структуры 200 была сравнительно тонкой. Поэтому эта стенка может быть выполнена из брезента, ткани, фольги, пленки или любого подходящего тонкого листового материала. Листовой материал может быть изготовлен, например, из металла, резины, пластмассы, ткани или аналогичного материала. В предпочтительном варианте выполнения наружная канальная структура 200 может иметь стенку канала из пластмассовой ткани, пластмассовой пленки или другого по существу непроницаемого для среды (например, воздухонепроницаемого) легкого материала. Листовой материал предпочтительно обернут или расположен другим способом вокруг наружных краев внутренней теплообменной структуры 100, образуя наружную канальную структуру 200, которая охватывает внутреннюю теплообменную структуру 100. Стенка наружного канала может быть, например, образована усадочным оберточным материалом или даже усадочной трубкой, которая при нагревании дает усадку и прилегает к наружной стороне внутренней теплообменной структуры 100.
Ниже подробно описан наружный канал структуры 200, охватывающий внутреннюю теплообменную структуру 100 теплообменника А1. На фиг.2 видно, что теплообменная структура 100 содержит пять ребер 110 в виде тонких прямоугольных листов, из которых на фиг.1 хорошо видны по меньшей мере четыре ребра 110, выполненных в виде листов. Толщина листа или ребра 110 может составлять от нескольких десятых миллиметра до нескольких миллиметров, предпочтительно меньше двух миллиметров.
Листы или ребра 110 на фиг.1-2 проходят в первом осевом направлении, которое по существу параллельно осевой протяженности и/или центральной оси Х1 внутренней теплообменной структуры 100 на фиг.1 и наружному каналу структуры 200 на фиг.2. Ребра 110 простираются по существу на всю длину внутренней теплообменной структуры 100. Как видно на фиг.2, ребра 110 теплообменной структуры 100, расположенной в осевом теплообменнике А1, проходят вдоль оси наружной канальной структуры 200 и по существу совпадают с направлением потока среды, которая течет внутри охватывающей наружной канальной структуры 200.
Помимо того, что листы или ребра 110 на сриг.1-2 проходят в осевом направлении, они проходят во втором, радиальном, направлении, т.е. по существу от центральной оси или центра теплообменной структуры 100 к наружной канальной структуре 200, что делает ребра 110 похожими на спицы вокруг ступицы. Ребро 110 может быть расположено с небольшим зазором относительно канальной структуры 200 или может прилегать к ней. Ребро может быть также более плотно соединено с наружной канальной структурой 200, например образовывать по существу закрытое или герметичное соединение с наружным каналом структуры 200.
Хотя ребро 110 в теплообменной структуре 100, показанной на фиг.2, представляет собой плоский прямоугольный лист, расположенный параллельно наружному каналу структуры 200, в некоторых вариантах изобретения могут использоваться изогнутые или скрученные листы или аналогичные элементы. Например, листы могут быть расположены по спирали или аналогично вдоль внутренней части наружной канальной структуры 200 или аналогичной структуры, или в листах может быть образован один или несколько каналов для среды, - сравнимых с каналами 210 для среды на фиг.2 и 6а, - которые проходят в виде спиральной структуры вдоль внутренней части наружного осевого канала структуры 200 или аналогичного средства.
Ребра 110 на фиг.1-2 выполнены из теплопроводящего материала, предпочтительно из металла, более предпочтительно из легкого металла, например алюминия и т.п. Каждое ребро 110 соединено с внутренним небольшим, прямым и предпочтительно трубчатым каналом 120, расположенным в середине или около середины ребра 110. Толщина стенки внутреннего канала 120 может составлять от нескольких десятых миллиметра до нескольких миллиметров, предпочтительно менее одного миллиметра, а внутренний диаметр внутреннего канала 120 может составлять приблизительно 4-20 миллиметров, предпочтительно приблизительно 5-15 миллиметров, а наиболее предпочтительно - приблизительно 6-10 миллиметров. Допустимы и другие значения для толщины и диаметра стенок. Внутренний канал 120 предпочтительно выполнен из того же теплопроводящего материала, что и ребро 110, или из аналогичного материала, который обеспечивает хороший перенос тепла между внутренним каналом 120 и ребром 110. Прямой внутренний канал 120 проходит по всему прямоугольному ребру 110 от одного короткого конца до другого. Внутренний канал 120 предпочтительно служит для протекания жидкости или жидкой среды, предпочтительно воды.
Изобретение не ограничено каналами 120, изображенными на фиг.1-2. Поперечное сечение канала может быть круглым или овальным, частично круглым и/или частично овальным, треугольным, квадратным, прямоугольным, многоугольным или представлять собой комбинацию таких сечений. Кроме того, ребро 110 может быть соединено с каналом в других местах и/или другим образом. Например, канал может быть соединен с ребром 110 так, что он проходит по нему в виде буквы S от одного короткого конца к другому. Лист, ребро 110 или аналогичный элемент могут быть снабжены двумя и более каналами.
На фиг.1 показана в перспективе теплообменная структура 100, снабженная нижним распределительным коллектором 130, отходящим от нее радиально наружу. Нижний распределительный коллектор 130 соединен с нижним распределительным каналом 140, который, в свою очередь, соединен с нижним концом каждого канала 120 в ребрах 110 посредством изогнутого нижнего трубчатого соединительного канала 122, расположенного в нижнем конце теплообменной структуры 100. Верхний конец каждого канала 120 в ребрах 110 соединен с верхним распределительным концентратором 150 посредством изогнутого верхнего трубчатого соединительного канала 121, расположенного в верхнем конце теплообменной структуры 100. Верхний концентратор 150 соединен с центральным каналом 160, отходящим от него в осевом направлении вниз и по существу совпадающим с центральной осью теплообменной структуры 100. Толщина стенки центрального канала 160 может составлять от нескольких десятых миллиметра до нескольких миллиметров, предпочтительно меньше двух миллиметров, а внутренний диаметр центрального канала 160 может быть приблизительно 20-100 миллиметров, предпочтительно приблизительно 25-75 миллиметров, а наиболее предпочтительно - приблизительно 25-50 миллиметров. Толщина и диаметр стенки могут иметь другие значения. Нижний конец центрального канала 160 имеет изогнутый участок 161, которым заканчивается центральный канал 160 в коллекторе 170 центрального канала, отходящем в радиальном направлении наружу от теплообменной структуры 100 на нижнем конце, предпочтительно ниже ребер 110 и нижнего распределительного коллектора 130.
Такие параметры, как диаметр и толщина стенок наружного канала структуры 200, диаметр и толщина стенок внутренних каналов 120, форма и толщина ребер 110, материал стенок наружного канала структуры 200, внутренних каналов 120 и ребер 110 могут быть легко выбраны специалистом в данной области в соответствии с конкретным применением, например в зависимости от температуры, плотности, вязкости, давления, расхода и прочих параметров среды, которая должна протекать через наружный канал структуры 200, и среды, которая должна протекать через внутренние каналы 120.
Второй вариант осуществления изобретения
Внутренняя теплообменная структура 300 согласно второму варианту осуществления изобретения показана в перспективе на фиг.3 и в разрезе по линии Y-Y на фиг.4. Внутренняя теплообменная структура 300 на фиг.4 показана внутри наружной канальной структуры 400, которая вместе с расположенной в ней внутренней теплообменной структурой 300 образуют осевой теплообменник А2 согласно второму варианту осуществления изобретения.
Канальная структура 400, показанная на фиг.4, аналогична канальной структуре 200 в первом варианте осуществления изобретения согласно фиг.2, в частности в том, что она охватывает внутреннюю теплообменную структуру 300 так, что первая среда может протекать через осевой теплообменник А2 по меньшей мере по одному каналу для среды, более предпочтительно, по нескольким каналам 410 для среды, которые образованы между внутренней теплообменной структурой 300 и стенкой наружной канальной структуры 400. Поэтому указанные выше параметры наружной канальной структуры 200 применимы, с некоторыми изменениями, к наружной канальной структуре 400. Каналы 410 для среды показаны также на схематичном сечении осевого теплообменника А2 на фиг.6b.
Ребра 310 теплообменной структуры 300, изображенной на фиг.3-4, аналогичны ребрам 110 в первом варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.1-2. Поэтому указанные выше параметры ребер 110 применимы, с необходимыми изменениями, к ребрам 310 на фиг.3-4.
Например, листы или ребра 310 на фиг.3-4 проходят в первом осевом направлении, которое по существу параллельно осевой протяженности и/или центральной оси Х2 наружной теплообменной структуры 200 на фиг.3 и наружного канала 400 на фиг.4. Каждое ребро 310 на фиг.3-4 соединено с небольшим внутренним прямым и предпочтительно трубчатым каналом 320 аналогично трубчатому каналу 120 на фиг.1-2. Однако теплообменная структура 300 теплообменника А2 содержит шесть ребер 310, а не пять ребер 110, как теплообменная структура 100 теплообменника А1. Это подтверждает возможность изменения количества ребер, листов или аналогичных элементов в теплообменнике согласно изобретению.
Теплообменная структура 300 снабжена нижним распределительным коллектором 330, соединенным с нижним распределительным каналом 340, который, в свою очередь, соединен с нижним концом каждого канала 320 в ребрах 310 посредством изогнутого нижнего трубчатого соединительного канала 322. Такое же соединение используется для нижнего конца теплообменной структуры 100 на фиг.1-2.
Однако распределительное устройство в верхнем конце теплообменной структуры 300, изображенной на фиг.3-4, не содержит распределительного концентратора 150 и расположенного вдоль центральной оси центрального канала 160, имеющихся в теплообменной структуре 100 согласно фиг.1-2. Вместо этого в теплообменной структуре 300, показанной на фиг.3-4, предусмотрено верхнее распределительное устройство, содержащее верхний распределительный коллектор 370, отходящий радиально наружу от теплообменной структуры 300 и соединенный с верхним распределительным каналом 350, который соединен с каждым каналом 320 в верхнем конце ребер 310 посредством изогнутых верхних трубчатых соединительных каналов 322, расположенных на верхнем. конце теплообменной структуры 300.
Примеры поперечных сечений
Как указано выше, ребра 110, 310, листы или аналогичные элементы осевого теплообменника А1, А2 согласно одному из вариантов осуществления изобретения могут иметь различную форму и различные сечения. Эти ребра 110, 310, листы или аналогичные элементы проходят вдоль оси наружного охватывающего канала структуры 200, 400 в направлении, по существу совпадающем с направлением протекания среды в наружном канале структуры 200, 400.
Несколько возможных схематичных сечений описано ниже.
На фиг.6a схематично показано сечение теплообменника А1, рассмотренного со ссылками на фиг.1-2, причем одинаковые элементы на фиг 1-2 и 6а обозначены одинаковыми позициями.
На фиг.6b схематично показано сечение теплообменника А2, рассмотренного со ссылками на фиг.3-4, причем одинаковые элементы на всех фиг.3-4 и 6b обозначены одинаковыми позициями.
На фиг.6c схематично показано сечение другой возможной формы, где ребра или листы установлены внутри наружного канала осевого теплообменника согласно одному из вариантов осуществления изобретения. Осевой теплообменник содержит наружный трубчатый канал 500, аналогичный наружным каналам структур 200 и 400, в котором находится внутренний лист 510 такой же трубчатой формы, как наружный канал 500, но меньшего диаметра. Между внутренним трубчатым листом 510 и наружным каналом 500 расположены наклонные радиальные ребра 520. Трубчатый лист 510 и ребра 520 имеют те же или аналогичные параметры, что и ребра 110 и 310. Внутренний трубчатый лист 510 соединен с трубчатыми каналами 530 на одинаковом расстоянии от них. Некоторые ребра 520 тоже могут соединяться с трубчатым каналом 530. Трубчатые каналы 530 аналогичны внутренним каналам 120, 320. В осевом теплообменнике согласно фиг.6с можно использовать распределительное устройство на верхнем и нижнем конце, аналогичное верхнему и нижнему распределительному устройству, изображенному на фиг.3-4, т.е. могут использоваться соединительные каналы 321, 322 для соединения внутренних каналов 530 с распределительными каналами 340, 350, имеющими коллектор 330, 370.
На фиг.6d схематично показано сечение осевого теплообменника, который по существу такой же, как осевой теплообменник А1, показанный на фиг.1-2. Однако теплообменник на фиг.6d имеет шесть ребер 110 вместо пяти, вместо наружного канала структуры 200 теплообменника А1 используется наружная канальная структура 600 (фиг.6d) из воздухонепроницаемого коагулированного материала, который обернут или размещен иным образом вокруг наружных краев внутренней теплообменной структуры.
На фиг.6e показан тот же осевой теплообменник, что и на фиг.6d, за исключением того, что каждый внутренний трубчатый канал 120 осевого теплообменника на фиг.6е снабжен двумя дополнительными ребрами 650, расположенными под углом 180° друг к другу перпендикулярно к ребру 110. Между соседними дополнительными ребрами 650, расположенными на соседних каналах 120, могут быть небольшие зазоры, как показано на фиг.6d. Альтернативно, ребра 650 могут быть соединены в осевом направлении для создания хорошего теплового контакта между ними.
На фиг.6f показан такой же осевой теплообменник, что и на фиг.6d, за исключением того, что осевой теплообменник на фиг.6f имеет четыре ребра 110 вместо шести. Особенно предпочтительно, чтобы прямоугольный осевой теплообменник на фиг.6f был снабжен наружной достаточно толстой защитной крышкой из пенопласта или поропласта. Это обеспечивает прекрасные характеристики для транспортировки и хранения. Защитная крышка может оставаться на теплообменнике после его установки.
Рассмотренные выше поперечные сечения свидетельствуют о разнообразии возможных вариантов осуществления изобретения. Однако в других вариантах осевой теплообменник может иметь ребра или листы, расположенные иначе, т.е. они могут проходить или не проходить вокруг центральной оси внутренней теплообменной структуры (например, центральной оси внутренней теплообменной структуры 100, 300), например, имеющей треугольную, квадратную, прямоугольную, круглую или полукруглую форму.
Работа и использование осевых теплообменников согласно вариантам осуществления изобретения
Первая среда подается в осевой теплообменник А1 через нижний распределительный коллектор 130 и нижний распределительный канал 140, откуда она течет в каналы 120 в ребрах 110 и в верхний распределительный концентратор 150, а оттуда назад через центральный канал 160, который оканчивается в коллекторе 170 центрального канала, где среда выходит из теплообменника А1. Подаваемая в теплообменник А1 вторая среда течет по осевому каналу или каналам 210, расположенным в пространстве между наружной канальной структурой 200 и внутренней теплообменной структурой 100. Происходит последовательный теплообмен между первой и второй средами через ребра 110, установленные на теплообменной структуре 100, при условии, что между этими двумя средами имеется разность температур.
Аналогично, первая среда подается в осевой теплообменник А2 через нижний распределительный коллектор 330 и нижний распределительный канал 340, из которых течет в каналы 320 в ребрах 310 и в верхний распределительный коллектор 350, который оканчивается в коллекторе 370 распределительного канала, где среда выходит из теплообменника А2. Подаваемая в теплообменник А2 вторая среда течет по осевому каналу или каналам 410, расположенным в пространстве между наружной канальной структурой 400 и внутренней теплообменной структурой 300. Происходит последовательный теплообмен между первой и второй средами через ребра 310, установленные на теплообменной структуре 300, при условии, что между этими двумя средами имеется разность температур.
Первая среда может течь в направлении, противоположном направлению, указанному выше. Вторые среды могут течь за счет естественной конвекции через канал или каналы 210, 410, особенно в варианте, где внутренний диаметр наружного канала канальной структуры 200, 400 сравнительно большой, например равен 100-200 миллиметрам или больше. Другими словами, в некоторых вариантах осуществления изобретения может отсутствовать необходимость в вентиляторе или аналогичном устройстве для перемещения вторых сред, а в других вариантах наличие вентилятора или аналогичного устройства может оказаться предпочтительным или необходимым.
Осевые теплообменники согласно изобретению могут использоваться в различных областях и различных структурах. В частности, множество осевых теплообменников согласно изобретению можно соединить последовательно или параллельно.
На фиг.5а показано несколько соединенных последовательно осевых теплообменников А2, выполненных согласно варианту, показанному на фиг.3-4. Теплообменники А2 установлены вдоль оси, позволяя первой среде (предпочтительно воздуху) протекать из одного теплообменника А2 в следующий и далее по всем остальным теплообменникам А2. Две стрелки 410 на фиг.5а указывают направление протекания. Стрелки соответствуют каналам 410 для среды, как указано выше при рассмотрении фиг.4. Теплообменники А2 могут быть соединены друг с другом, например, посредством соединительной детали 420, плотно посаженной на наружный канал 400 теплообменника А2 и закрывающей стык между двумя расположенными вдоль оси теплообменниками А2. Соединительная деталь 420 может представлять собой соединительную трубу или соединительный трубопровод, диаметр которого немного больше наружного диаметра трубчатой наружной канальной структуры 400. Тогда в соединительную деталь 420 с каждой стороны можно вставить в осевом направлении по одному теплообменнику А2 с образованием самонесущей теплообменной структуры, снабженной по существу герметичными, например воздухонепроницаемыми стыками. Соединительная деталь 420 может также быть выполнена из ткани, усадочной ленты или аналогичного материала, который обертывают или размещают иным образом вокруг стыка между двумя соединенными теплообменниками А2. Коагулированный материал для соединительной детали особенно предпочтителен, если из такого материала сделана наружная канальная структура 400.
Следует добавить, что соединенные последовательно осевые теплообменники А2 не обязательно должны быть расположены вдоль оси, образуя расположенную по существу по центральной оси удлиненную структуру, как показано на фиг.5а. Теплообменники А2 можно соединить друг за другом с образованием структуры, расположенной по кругу или полукругу, по сторонам прямоугольника, многоугольника или любой другой структуры, в которой первая среда может протекать из одного теплообменника А2 в следующий и во все остальные теплообменники А2, соединенные последовательно. Например, можно использовать соединительную деталь 420 подходящей формы для соединения двух теплообменников А2 под углом друг к другу. Возможны даже варианты осуществления изобретения, в которых сам теплообменник А2 изогнут.В случае, если осевые теплообменники А2 соединены так, что они расположены по кривой или под углом к оси, их можно выполнить как интегральную часть существующего вентиляционного ствола, вентиляционного шахтного ствола, вентиляционной шахты, вентиляционной трубы, вентиляционного трубопровода и т.п. В таких случаях можно даже использовать стенку существующей вентиляционной шахты и т.д. вместо наружного канала 400 теплообменника А2. Другими словами, одна теплообменная структура 300 или несколько теплообменных структур 300, соединенных последовательно, можно разместить в существующей вентиляционной шахте и т.п. с использованием наружных каналов 400 или без их использования.
Каждый соединенный последовательно теплообменник А2 на фиг.5а соединен также с подводящим канальным устройством, проходящим вдоль соединенных теплообменников А2 для подачи в каждый из них второй среды (предпочтительно воды) и имеющим первый и второй подводящие каналы 710 и 720. Соответственно, нижний распределительный коллектор 330 каждого теплообменника А2 соединен с первым подводящим каналом 710, а верхний распределительный коллектор 370 каждого теплообменника А2 соединен со вторым подводящим каналом 720. Один канал 710, 720 является прямым каналом, а другой - обратным каналом. Первый подводящий канал 710 и второй подводящий канал 720 соединены с источником 700 среды, который может нагревать и/или охлаждать вторую среду, протекающую по подводящим каналам 710, 720. Следовательно, нагреванию второй среды, протекающей по каналам 710, 720 и через каждый соединенный теплообменник А2, будет способствовать работа каждого теплообменника А2, вызывая нагревание первой среды (предпочтительно воздуха). Для протекания вторых сред через подводящий канал 710, 720 и соединенные теплообменники А2 может потребоваться циркуляционный насос или аналогичное устройство. По конструкции и расположению подводящие каналы 710, 720 могут быть очень схожи с подводящими трубами, которые используются в обычных домах и зданиях для подвода горячей воды к радиаторам в обычной системе водяного отопления.
На фиг.5b показано множество осевых теплообменников А1 согласно первому варианту осуществления изобретения, показанному на фиг.1-2. Теплообменники А1 соединены параллельно для по существу одновременного протекания первой среды (предпочтительно воздуха) через каждый из них по каналу или каналам 210 для среды, как указано выше при рассмотрении фиг.2. Теплообменники А1 не обязательно должны быть расположены по прямой линии, как показано на фиг.5b, а могут быть установлены бок о бок по кругу, полукругу, по сторонам квадрата или другого многоугольника.
Каждый параллельный теплообменник А1 на фиг.5b соединен с распределительным канальным устройством, проходящим параллельно им и предназначенным для подачи в каждый из них второй среды (предпочтительно воды). Соответственно, нижний распределительный коллектор 130 каждого теплообменника А1 соединен с первым подводящим каналом 710, а коллектор 170 центрального канала каждого теплообменника А1 соединен со вторым подводящим каналом 720. Подводящее канальное устройство с каналами 710, 720 и источник среды 700, показанные на фиг.5b, могут быть такими же, как описано выше в связи с фиг.5а.
Штриховыми линиями на фиг.5b обозначен коробчатый распределительный канал 730. Такой общий распределительный канал 730 или аналогичный канал может служить для закрывания одного конца каждого параллельного теплообменника А1 для обеспечения возможности параллельного и, возможно, принудительного протекания первой среды через каждый параллельный теплообменник А1. Распределительный канал 730 на фиг.5b расположен на верхнем конце параллельных теплообменников А1. Следует подчеркнуть, что альтернативно или дополнительно могут быть закрыты нижние концы. Верхние концы на фиг.5b могут входить на подходящее расстояние в отверстия (не показаны), которые выполнены в длинной стороне коробчатого распределительного канала 730, обращенной к параллельным теплообменникам А1. Параллельные теплообменники А1 могут быть по существу плотно закрыты с наружной стороны распределительного канала 730 и предпочтительно полностью открыты во внутреннее пространство распределительного канала 730. Первая среда может подводиться к распределительному каналу 730 из подводящего канала (не показан), соединенного с распределительным каналом 730. Стрелка 740 на фиг.5b указывает возможное направление протекания первой среды в распределительный канал 730.
Следует добавить, что теплообменники А2 на фиг.5а можно заменить по существу любыми теплообменниками согласно изобретению, в частности, теплообменниками А1. Аналогично, теплообменники А1 на фиг.5b можно заменить по существу любыми теплообменниками согласно изобретению, в частности, теплообменниками А2. Следует также добавить, что соединенные последовательно теплообменники, изображенные на фиг.5а, могут быть установлены бок о бок, как показано на фиг.5b.
Большие теплообменные поверхности, которые могут быть получены в осевом теплообменнике согласно изобретению, позволяют работать с малыми разностями между температурами первой и второй сред. Например, варианты осуществления изобретения могут работать при относительно малой разности между температурой нагревающей воды и температурой нагретого воздуха, текущего через теплообменник или теплообменники и из них, обеспечивая комфортную температуру в данном пространстве, например в комнате или другом помещении. Теплообменник, выполненный согласно одному из вариантов осуществления изобретения, можно, конечно, приспособить так, чтобы использовать на входе воздух с температурой -18°С, а на выходе получить воздух с температурой +18°С, используя теплую воду или другую среду с температурой +35°С. Теплообменник согласно изобретению можно приспособить для нагревания внутренних пространств с помощью нагретой воды с температурой ниже +40°С. Это сравнимо с температурой воды, подаваемой в радиаторы в обычных системах водяного отопления, которая, как правило, равна примерно +55°С и может достигать +75°С в холодный зимний день, когда температура снаружи падает, например, до -18°С.
Обозначения
А1
Осевой теплообменник
А2
Осевой теплообменник
Х1
Центральная ось
Х2
Центральная ось
100
Теплообменная структура
110
Ребро, лист
120
Внутренний канал
121
Верхний соединительный канал
122
Нижний соединительный канал
130
Нижний распределительный коллектор
140
Нижний распределительный канал
150
Верхний распределительный концентратор
160
Центральный канал
161
Изогнутый участок
170
Коллектор центрального канала
200
Канал наружной структуры 200
210
Канал для среды
300
Теплообменная структура
310
Ребро, лист
320
Внутренний канал
321
Верхний соединительный канал
322
Нижний соединительный канал
330
Нижний распределительный коллектор
340
Нижний распределительный канал
350
Верхний распределительный концентратор
370
Коллектор центрального канала
400
Наружный канал
410
Канал для среды
420
Соединительная деталь
500
Наружный канал
510
Внутренний трубчатый лист
520
Наклонные ребра
530
Внутренний канал
600
Наружный канал
650
Дополнительное ребро
700
Источник среды
710
Первый подводящий канал
720
Второй подводящий канал
730
Параллельный распределительный канал
740
Поток среды