ПЛАСТИНЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК

Техническое решение относится к теплообменному оборудованию и может найти применение в химической, нефтехимической, машиностроительной, металлургической, энергетической, фармакологической, пищевой, сельскохозяйственной и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах утилизации тепла дымовых газов и сточных вод.
Известна конструкция разборного пластинчатого теплообменника, включающая стойку, нажимные плиты, набор теплопередающих пластин, стягивающие шпильки. Между теплопередающими пластинами установлены резиновые уплотнительные прокладки. Для интенсификации теплопередачи используют пластины сетчато-поточного типа с волнистой поверхностью, обеспечивающие турбулизацию потоков обоих теплоносителей (Машины и аппараты химических производств / под общей ред. А.И. Тимонина. - Калуга: Издательство «Ноосфера», 2014, с. 461-465).
Недостатками данной конструкции являются сложность очистки теплопередающих боковых поверхностей пластин, особенно если это пластины с волнистой поверхностью, так как на них в процессе эксплуатации образуется ржавчина, солевой камень, продукты термической деструкции и другие отложения, что приводит к снижению интенсивности теплопереноса, трудность уплотнения между теплообменными пластинами и сложность их очистки.
Известны пластинчатые сварные теплообменники, собираемые из блоков, в каждом из которых пластины свариваются между собой без прокладок (Ю.Н. Шаповалов, B.C. Шеин Машины и аппараты общехимического назначения: учеб. пособие. - Воронеж: Издательство Воронежского университета, 1981, с. 113).
Недостатком данной конструкции является снижение интенсивности процесса теплопереноса из-за образования на теплопередающих поверхностях пластин ржавчины, солевого камня, продуктов термической деструкции и других отложений и, соответственно, необходимость их периодической очистки.
Известен теплообменник, содержащий корпус с первым и вторым каналами для теплоносителей, разделенные теплопередающей поверхностью, входными и выходными патрубками первого канала, входными и выходными патрубками второго канала, сферические теплопередающие элементы, размещенные в сферических лунках, при этом сферические теплопередающие элементы размещены в сферических лунках на теплопередающих поверхностях и на внутренней поверхности корпуса (патент РФ №2500965 РФ, МПК F28D 3/02, F28F 1/10, F28D 9/00, 10.12.2013).
Недостатками данного технического решения являются сложность конструкции и, соответственно, очистки сферических теплопередающих элементов и внутренних поверхностей корпуса, на которых образуются отложения из ржавчины, солевого камня, продуктов термической деструкции, приводящие к снижению интенсивности теплопередачи от одного теплоносителя к другому.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков по заявляемому объекту и принятому за прототип является пластинчатый теплообменник, содержащий ряд параллельных пластин, который включает в себя пластины теплообменника и упрочняющие пластины, располагающиеся снаружи пластин теплообменника. Пластины теплообменника формируют пакет пластин с первыми межпластинчатыми промежутками для первой среды и вторыми межпластинчатыми промежутками для второй среды, при этом каждая из пластин теплообменника имеет четыре сквозных отверстия, формирующих каналы, проходящие через пакет пластин, а сами пластины неразъемно соединены друг с другом (патент РФ №2419053, МПК F28F 9/00, F28F 9/02, 20.05.2011).
Недостатком данной конструкции является невысокая интенсивность теплопереноса через теплопередающие боковые поверхности пластин, которая постоянно уменьшается в процессе эксплуатации за счет образования на этих поверхностях ржавчины, накипи, солевого камня и других отложений.
Задача, на которую направлено данное техническое решение -увеличение интенсивности теплопереноса через теплопередающие поверхности пластин.
Техническим результатом является повышение производительности процесса теплообмена и упрощение конструкции теплообменного аппарата.
Поставленный технический результат достигается тем, что в пластинчатом теплообменнике, содержащем корпус с расположенными в нем неразъемно соединенными параллельными пластинами, сформированными в пакет с первыми межпластинчатыми промежутками для первой среды и вторыми межпластинчатыми промежутками для второй среды, при этом каждый межпластинчатый промежуток снабжен подводящим штуцером, расположенным в нижней части корпуса, верхняя часть каждого межпластинчатого промежутка выполнена с расширением, снабженным переливной перегородкой, и закрыта кожухами, образующими коллекторы слива со штуцерами отвода первой и второй среды соответственно, причем переливные перегородки расширений первых межпластинчатых промежутков для первой среды и вторых межпластинчатых промежутков для второй среды расположены на противоположных сторонах, а в каждом межпластинчатом промежутке размещен слой мелкозернистого материала.
Установка в нижней части корпуса для каждого межпластинчатого промежутка подводящего штуцера позволяет создавать восходящие потоки первой и второй сред в каждом межпластинчатом промежутке со скоростями, лежащими в диапазоне скоростей существования псевдоожиженного слоя используемого мелкозернистого материала.
Размещение в каждом межпластинчатом промежутке слоя мелкозернистого материала позволяет при скоростях, лежащих в диапазоне скоростей псевдоожижения, создавать восходящими потоками первой и второй сред в каждом межпластинчатом промежутке псевдоожиженный слой мелкозернистого материала по всей высоте и ширине параллельных пластин с обеих их теплопередающих поверхностей. В качестве мелкозернисто материала могут использоваться песок, стеклянные или керамические шарики, пластиковые гранулы и т.п. Оптимальный для псевдоожижения размер частиц в среднем составляет 1,5÷4,0 мм.
Псевдоожижение, во-первых, повышает в два-три раза коэффициент теплоотдачи в каждом межпластинчатом промежутке от поверхности пластин к одной среде или от другой среды к поверхности пластин по сравнению с теплоотдачей от жидкого теплоносителя без псевдоожиженного слоя, а, во-вторых, за счет трения частиц мелкозернистого материала, образующих псевдоожиженный слой, о боковые теплопередающие поверхности параллельных пластин предотвращается в процессе эксплуатации аппарата образование на них ржавчины, солевого камня, накипи, продуктов термической деструкции и других отложений, обеспечивая работу теплообменника с постоянно чистыми теплообменными поверхностями, что способствует интенсификации теплопереноса между первой и второй средами.
Выполнение верхней части каждого межпластинчатого промежутка с расширением увеличивает его проходное сечение, что позволяет предотвратить унос частиц мелкозернистого материала из каждого межпластинчатого промежутка за счет резкого снижения скорости потоков обеих сред, которая становится меньше скорости псевдоожижения, что приводит к постоянному и устойчивому содержанию частиц мелкозернистого материала в каждом межпластинчатом промежутке.
Наличие кожухов, закрывающих расширенные части каждого межпластинчатого промежутка с образованием коллекторов слива через переливные перегородки для первой и второй сред соответственно, позволяет удалять первую и вторую среды из теплообменного аппарата через их штуцеры отвода. Над пакетом параллельных пластин, образующих межпластинчатые промежутки для первой и второй сред, расположена крышка.
Таким образом, установка в нижней части корпуса для каждого межпластинчатого промежутка подводящего штуцера и выполнение верхней части каждого межпластинчатого промежутка с расширением, снабженным переливной перегородкой, закрытым кожухами, образующими коллекторы слива со штуцерами отвода первой и второй сред соответственно, а также размещение слоя мелкозернистого материала в каждом межпластинчатом промежутке обеспечивает предотвращение образования на них различных отложений, таких как ржавчина, накипь, солевой камень, и создание устойчивого псевдоожиженного слоя в каждом межпластинчатом промежутке по всей высоте и ширине поверхностей каждой параллельной пластины, позволяет интенсифицировать процесс теплопереноса между первой и второй средами.
На фиг. 1 представлен фронтальный вид в разрезе А-А предлагаемой конструкции пластинчатого теплообменника, на фиг. 2 - вид сверху в разрезе Б-Б, на фиг. 3 - вид сверху в разрезе В-В.
Пластинчатый теплообменник состоит из корпуса 1 с расположенными в нем неразъемно соединенными параллельными пластинами 2, сформированными в пакет с первыми межпластинчатыми промежутками I для первой среды и вторыми межпластинчатыми промежутками II для второй среды. В нижней части корпуса 1 каждого межпластинчатого промежутка I и II расположены подводящие штуцеры 3 для первой и второй сред соответственно. Верхняя часть каждого межпластинчатого промежутка выполнена с расширением 4, снабженным переливной перегородкой 5 таким образом, что переливные перегородки расширений первых межпластинчатых промежутков I для первой среды и вторых межпластинчатых промежутков II для второй среды расположены на противоположных сторонах. Расширенная части каждого межпластинчатого промежутка I и II закрыта общим кожухами 6 для первой среды и 7 - для второй среды, которые образуют коллекторы слива для первой и второй сред соответственно, снабженные штуцерами отвода 8 и 9 этих сред. Над пакетом параллельных пластин, образующих межпластинчатые промежутки I и II для первой и второй сред, расположена крышка 10. В каждый межпластинчатый промежуток засыпан слой, состоящий из частиц 11 мелкозернистого материала.
Пластинчатый теплообменник работает следующим образом. В каждый межпластинчатый промежуток рабочего пространства загружается мелкозернистый материал. Через подводящие штуцеры 3 первую и вторую среды подают внутрь каждого межпластинчатого промежутка I и II со скоростями, значения которых лежат в диапазоне скоростей псевдоожижения частиц 11 мелкозернистого материала. При этом весь слой переходит в псевдоожиженное состояние по всей высоте и ширине параллельных пластин каждого межпластинчатого промежутка I и II. Так как верхняя часть каждого межпластинчатого промежутка I и II выполнена с расширением 4, закрытым крышкой 10, то скорости первой и второй сред в этих расширениях резко уменьшаются и становятся меньше скорости псевдоожижения, что предотвращает унос частиц 11 мелкозернистого материала из каждого межпластинчатого промежутка I и II. Далее первая и вторая среды уже без частиц 11 мелкозернистого материала из расширения 4 каждого межпластинчатого промежутка I и II через переливную перегородку 5 перетекают в общие кожухи: 6 для первой среды и 7 для второй среды, образующие коллекторы слива для первой и второй сред соответственно. После чего первая среда удаляется из коллектора слива для первой среды через штуцер отвода 8, а вторая среда удаляется из коллектора слива для второй среды через штуцер отвода 9.
Наличие псевдоожиженных слоев мелкозернистого материала в межпластинчатых промежутках I и II, во-первых, увеличивает в два-три раза коэффициент теплоотдачи за счет турбулизации потоков обеих сред, а во-вторых, за счет трения частиц 11 мелкозернистого материала, образующих псевдоожиженный слой, о теплопередающие поверхности параллельных пластин 2 предотвращает в процессе эксплуатации теплообменника образование на них ржавчины, солевого камня, накипи, продуктов термической деструкции и других отложений, что способствует интенсификации теплопереноса между первой и второй средами.