ТЕПЛООБМЕННИК

Полезная модель относится к отопительной технике и может найти применение в различных системах отопления, охлаждения зданий и оборудования, в электронагревателях и в преобразователях солнечной энергии.
Известен отопительный радиатор (патент РФ №2073817, публ. 1997 г.), содержащий ряд спрессованных из алюминиевого сплава вертикальных трубчатых элементов с радиальными ребрами, соединенных с горизонтальными трубчатыми коллекторами с помощью втулок. Для повышения теплоотдачи на плоских основаниях коллекторов выполнены ребра, скрепленные с ребрами трубчатых элементов заклепками.
Недостатком известного радиатора является недостаточная прочность стенок трубчатых элементов из алюминиевого сплава, ограничивающая область их применения, в частности, использования для систем отопления, работающих при больших давлениях теплоносителя.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является модульный (секционный) теплообменник (патент РФ №13414, публ. 1998 г.), содержащий трубы для текучей среды и элементы оребрения, выполненные в виде отдельных секций, закрепленных на поверхности, по меньшей мере, одной трубы с возможностью теплового контакта с ней. Секции оребрения могут быть выполнены легкосъемными в виде цельной пластины, охватывающей поверхность трубы и оснащенной узлом крепления. Предусмотрен вариант выполнения секции составной, из пары половин, охватывающих трубу и стянутых между собой узлом связи, например, болтовым соединением. Теплообменник обладает высокой прочностью. Модульная конструкция позволяет варьировать мощностью теплообменника.
Известный теплообменник имеет недостатки. Оребренные секции массивны, и следовательно, имеют большую материалоемкость и теплоемкость, что увеличивает тепловую инертность теплообменника. Это сужает эксплуатационные возможности применения, например, использования в системах отопления с автоматической регулировкой температуры теплоносителя при помощи термодатчиков или в холодильных установках. Кроме того, из-за разницы в коэффициентах линейного
расширения материалов труб и секций возможно возникновение зазора на контакте, например, стальной трубы с алюминиевой секцией, так как при высоких температурах коэффициент линейного расширения алюминия значительно выше, чем коэффициент линейного расширения стали, что снижает теплоотдачу теплообменника.
Целью полезной модели является увеличение теплоотдачи, снижение тепловой инертности модульного теплообменника при сохранении его прочности.
Поставленная цель достигается тем, что в теплообменнике, содержащем, по меньшей мере, одну трубу для теплоносителя и секцию оребрения, установленную на поверхности трубы с возможностью теплового контакта с ней, секция оребрения выполнена в виде незамкнутой цилиндрической тонкостенной оболочки с ребрами, упруго охватывающей трубу для теплоносителя с углом охвата более 180°.
При этом теплообменник может содержать установленный на крайних ребрах секции оребрения элемент крепления, выполненный в виде металлической ленты, плотно охватывающей концевые участки крайних ребер секции оребрения и стягивающей их между собой.
При этом теплообменник может содержать установленный на крайних ребрах секции оребрения элемент крепления, выполненный в виде части цилиндрической тонкостенной оболочки с ребрами, при этом крайние ребра элемента крепления скреплены с крайними ребрами секции оребрения, и повторяют форму крайних ребер секции оребрения, по меньшей мере, до места скрепления ребер между собой.
При этом теплообменник может содержать установленный на крайних ребрах секции оребрения элемент крепления, выполненный в виде металлической полосы, на которой закреплены крайние ребра секции оребрения.
При этом теплообменник может содержать установленный на крайних ребрах секции оребрения элемент крепления, выполненный в виде распорного гнутого профиля с боковыми полками, скрепленные с концевыми участками крайних ребер соседних секций оребрения и металлической полосы.
При этом теплообменник может содержать прокладку, жестко установленную в распор между металлической полосой, на которой закреплены крайние ребра секции оребрения, и трубой для текучей среды.
При этом ребра секции оребрения могут быть соединены между собой с образованием, по меньшей мере, одной замкнутой полости.
При этом ребро секции оребрения может быть выполнено продольно гофрированным.
При этом ребро секции оребрения может быть выполнено рассеченным в поперечной плоскости с отогнутым краем рассеченного участка ребра.
При этом ребро секции оребрения может быть выполнено поперечно гофрированным с формой гофров в виде неравностороннего треугольника.
Упругий охват трубы незамкнутой цилиндрической тонкостенной оболочкой с углом охвата более 180° обеспечивает плотный контакт трубы для теплоносителя с секцией оребрения за счет упругой фиксации оболочки на трубе и позволяет компенсировать зазор, возникающий между сопрягаемыми поверхностями из-за разницы коэффициентов линейного расширения в случае использования разнородных металлов. Это улучшает условия теплопередачи между трубой с теплоносителем и секцией оребрения.
Малая толщина стенок и развитая поверхность тонкостенной оболочки с ребрами в сочетании с хорошей теплопередачей между трубой и оболочкой обеспечивают низкую тепловую инертность и высокую теплоотдачу теплообменника.
Высокие прочностные свойства теплообменника достигаются использованием для циркуляции теплоносителя труб системы отопления.
Для увеличения теплопередачи за счет более плотного прилегания оболочки секции оребрения к трубе теплообменник может содержать элемент крепления, установленный на крайних ребрах секции оребрения и стягивающий их между собой.
Теплообменник может содержать одну или несколько секций в зависимости от необходимой мощности. Для фиксации и равномерного поджатия секции оребрения к трубе в многосекционном теплообменнике, представляющем собой ряд параллельно расположенных труб с установленными на них секциями оребрения, элемент крепления может быть установлен на крайних ребрах соседних секций оребрения.
Для увеличения теплоотдачи отходящие от цилиндрической оболочки ребра могут быть соединены с образованием одной или более цилиндрических полостей. Замкнутая полость имеет более жесткую конструкцию, что позволяет при неизменной металлоемкости увеличить суммарную длину ребер, образующих стенки полости, увеличив, тем самым, теплоотдающую поверхность и, следовательно, теплоотдачу.
Выполнение ребер продольно гофрированными позволяет увеличить поверхность теплоотдачи и, следовательно, теплоотдачу теплообменника.
Выполнение ребер поперечно рассеченными с отгибом одного из краев рассеченных участков позволяет создать турбулентный режим движения восходящих вдоль ребер потоков теплого воздуха, что значительно увеличивает теплоотдачу.
Выполнение ребер поперечно гофрированными увеличивает поверхность теплоотдачи и создает турбулентный режим движения теплого воздуха, что увеличивает теплоотдачу теплообменника.
На фиг.1 представлен поперечный разрез теплообменника с секцией оребрения в форме незамкнутой цилиндрической оболочки с ребрами, упруго охватывающей трубу для теплоносителя с углом охвата более 180°.
На фиг.2 представлен поперечный разрез теплообменника с элементом крепления в виде ленты, плотно охватывающей концевые участки крайних ребер и стягивающей их между собой.
На фиг.3 представлен поперечный разрез теплообменника с элементом крепления в виде части цилиндрической оболочки с ребрами.
На фиг.4 представлен поперечный разрез многосекционного теплообменника с элементом крепления в виде металлической полосы.
На фиг.5 представлен поперечный разрез многосекционного теплообменника с элементом крепления в виде распорного гнутого профиля с боковыми полками.
На фиг.6, 7 представлен поперечный разрез теплообменника с ребрами, образующими замкнутую полость.
На фиг.8 представлен поперечный разрез теплообменника с продольно гофрированными ребрами.
На фиг.9 представлен поперечный разрез теплообменника с поперечно рассеченными ребрами.
На фиг.10, 11 представлен продольный разрез ребра теплообменника с поперечно рассеченными ребрами.
На фиг.12 представлен поперечный разрез теплообменника с поперечно гофрированными ребрами.
На фиг.13, 14 представлен продольный разрез ребра теплообменника с поперечно гофрированными ребрами.
Теплообменник содержит трубу 1 для теплоносителя, секцию оребрения, состоящую из незамкнутой цилиндрической тонкостенной оболочки 2 с радиальными ребрами 3, упруго охватывающей трубу 1 (фиг.1).
Для обеспечения более плотного контакта между трубой 1 и оболочкой 2 в теплообменнике установлен элемент крепления. Элемент крепления может быть выполнен в виде металлической ленты 4, плотно охватывающей концевые участки крайних ребер 5 и стягивающей их между собой (фиг.2). Ребра 5 могут быть расположены тангециально к оболочке 2, либо иметь изгибы 6 и поперечно
расположенные полки 7. Лента 4 обеспечивает усиление упругого поджатия оболочки 2 к трубе 1, способствуя этим увеличению теплоотдачи и надежности фиксации секции оребрения. Если снятие секции оребрения с трубы в процессе эксплуатации не планируется, то в месте пересечения с вертикальной осью лента может быть приварена к трубе, что увеличивает надежность соединения.
На фиг.3 представлен элемент крепления в виде части цилиндрической тонкостенной оболочки 8 с ребрами 9, 10. При этом на участке скрепления 11 форма крайних ребер 9 повторяет форму крайних ребер секции оребрения. Установка такого элемента крепления дополнительно увеличивает теплоотдачу за счет увеличения теплоотдающей поверхности.
В многосекционном радиаторе отопления элемент крепления может быть выполнен в виде металлической полосы 12, скрепленной с концевыми ребрами секций оребрения (фиг.4). Для увеличения прочности всей конструкции в отдельных местах между трубой и полосой может быть установлена прокладка 13, прикрепленная к ним, например, сваркой. Кроме того, если прокладку установить в распор, она обеспечивает более плотный упругий контакт оболочки с трубой.
На фиг.5 показан элемент крепления в многосекционном радиаторе отопления выполненный в виде распорного гнутого профиля 14 с боковыми полками 15, скрепленными с концевыми участками крайних ребер соседних секций оребрения и металлической полосой 12. Выполнение распорных элементов обеспечивает равномерное упругое поджатие по всей длине конструкции, а металлическая полоса - необходимую жесткость всей конструкции.
Форма ребер секции оребрения определяется назначением теплообменника, технологическими возможностями и применяемым материалом.
Выполнение ребер, образующими замкнутые полости 16 (фиг.6, 7), продольно гофрированными (фиг.8), увеличивает поверхность теплоотдачи.
На фиг.9, 10, 11 показан теплообменник, ребра секции оребрения которого поперечно рассечены, а верхние края рассеченных участков 17 ребер отогнуты в нормальном к плоскости ребра направлении. Отогнутые края рассеченных участков турбулизируют проходящие вдоль ребер потоки воздуха, значительно увеличивая теплоотдачу. При отгибе краев рассеченных участков в одну сторону от поверхности ребра происходит перераспределение потоков теплого воздуха. Например, для обтекания теплым воздухом выше расположенной горизонтальной трубы края рассеченных участков отогнуты в сторону крайних каналов (фиг.11).
Увеличение теплоотдачи за счет увеличения теплоотдающей поверхности и турбулизации тепловых потоков достигается выполнением ребер с поперечными гофрами 18 в форме неравностороннего треугольника (фиг.12, 13, 14). Гофры 19 могут быть выполнены на одной стороне ребра (фиг.14). При этом, если теплообменник используется в отопительных приборах, короткая сторона треугольника ориентирована вверх (фиг.13, 14), а при использовании в охлаждающих приборах - короткая сторона треугольника ориентирована вниз (на рисунках не показано).
Секции оребрения могут быть выполнены из алюминиевого прессованного профиля (фиг.13) или отливки (фиг.14, фиг.12 справа от осевой линии), а также из штампованных, гнутых, завальцованных медных, алюминиевых или стальных полос. Секция оребрения устанавливается на трубе либо поперечным вдавливанием с фиксацией по типу защелки, либо введением по оси трубы с упругим отгибом крайних ребер. При использовании труб с неровной поверхностью для улучшения теплообмена на поверхность контакта целесообразно нанесение теплопроводного клея или мастики.
Упругий охват трубы оболочкой секции оребрения с углом охвата более 180° позволяет устанавливать секцию оребрения как на горизонтальные, так и на вертикальные участки труб с любой удобной ориентацией вокруг трубы. Для снятия секции оребрения с трубы достаточно отжать крайние ребра в стороны.