ТЕПЛООБМЕННЫЙ АППАРАТ
HEAT EXCHANGE UNIT

Изобретение относится к общему машиностроению и может быть использовано при проектировании теплообменных аппаратов в любой области машиностроения.
Теплообменные аппараты или теплообменники широко используются в машиностроении, осуществляя процессы отвода или подвода тепла между теплообменивающими средами. Процессы, происходящие при теплообмене сред, хорошо изучены, разработаны методики расчета, позволяющие определить требуемые параметры теплообменников для различных теплообменивающих сред с учетом их характеристик и требуемого теплосъема. Устройство теплообменников подробно показано в технической литературе (см., например, «Справочник по теплообменникам» в 2-х томах, г.Москва, Энергоиздат, 1987 г. ББК31.31.УДК66.045(035.5)).
Недостатки известных аппаратов заключаются в следующем:
- кожухотрубные теплообменники обладают повышенным гидравлическим сопротивлением, особенно при повышенных скоростях охлаждающей среды из-за многократно повторяющихся разворотов потока на 180° у перегородок и вследствие торможения потока, встречающего на своем пути решетку из рядов трубок, расположенных поперек потока;
- теплообменники «Труба в трубе» лишены недостатка, присущего кожухотрубным, однако возможности теплосъема этих устройств не реализованы полностью, кроме того, эти устройства достаточно громоздки и занимают много места;
- спиральные теплообменники обладают высокой эффективностью, однако они нетехнологичны из-за сложности конструкции.
Кроме того, известные конструкции являются громоздкими, у них низкая производительность, большие удельные энергозатраты, пониженные качественные характеристики обрабатываемого продукта, ограниченные эксплуатационные и технологические возможности.
Техническим результатом изобретения является обеспечение наиболее эффективного теплообмена охлаждающей и охлаждаемой сред при минимальных габаритах аппарата, усовершенствование конструкции аппарата и повышение его технологичности.
Технический результат изобретения достигается благодаря тому, что теплообменный аппарат содержит корпус в виде цилиндра, на торцах которого закреплены плиты, внутри корпуса вдоль его оси размещены трубы с зазорами между собой и внутренней поверхностью корпуса, торцы труб и корпуса состыкованы с плитами с обеспечением герметичности, во внутренней полости корпуса между трубами смонтированы перегородки, на внешние торцы плит установлены крышки, полости которых разделены диаметральной перегородкой на две камеры, соединенные с патрубками для подвода и отвода теплообменивающихся сред, при этом трубы внутри корпуса установлены одна в другую концентрически с образованием между ними и стенкой корпуса кольцевых полостей для протока охлаждаемой и охлаждающей сред, чередующихся между собой в радиальном направлении, на каждой плите выполнены сквозные дугообразные пазы, сообщающиеся на одной половине торцевой поверхности с кольцевыми полостями для охлаждающей среды, а на другой половине торцевой поверхности с кольцевыми полостями для охлаждаемой среды, причем в каждой кольцевой полости установлены перегородки в виде спиралей, образующих со стенками труб спиральные каналы для протока охлаждающей и охлаждаемой сред, соединяющие соответствующие дугообразные пазы на противолежащих плитах.
Кроме того, стенки труб могут быть выполнены с рифлениями, ориентированными поперек направления потока охлаждающей и охлаждаемой сред.
1
4
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показан общий вид теплообменного аппарата, продольный разрез; на фиг.2 показан вид А на фиг.1; на фиг.3 показан разрез Б-Б на фиг.1; на фиг.4 показан разрез В-В на фиг.1; на фиг.5 показан теплообменный аппарат в аксонометрии с частичным вырывом / части трубы; на фиг.6 показан вынос Г на фиг.5; на фиг.7 показан теплообменный аппарат в аксонометрии с трассировками потоков охлаждающей и охлаждаемой сред.
Теплообменный аппарат содержит цилиндрический корпус в виде трубы 1, в которой коаксиально установлены трубы 2, 3, 4, 5, образующие между своими стенками чередующиеся в радиальном направлении кольцевые полости 6, 7, 8, 9. В каждой полости 6, 7, 8, 9 между трубами 1, 2, 3, 4, 5 установлены перегородки 10 в виде спиралей (фиг.1), образующие с поверхностями соседних труб 1, 2, 3, 4, 5 винтовые каналы 11 (фиг.5). Так, каналы 11 кольцевых полостей 6 и 8 предназначены для потока, например, охлаждаемой среды, а каналы 11 кольцевых полостей 7 и 9 предназначены для потока охлаждающей среды. Трубы 1, 2, 3, 4, 5 установлены одна в другой так, что их концы (торцы) лежат в одной плоскости. На каждом конце труб 1, 2, 3, 4, 5 герметично закреплена торцевая плита 12, выполненная в виде плиты, имеющая дугообразные (фигурные) сквозные пазы 13 и 14 (фиг.4, 7). На каждой торцевой плите 12 с внешней стороны герметично установлена крышка 15, выполненная, например, в форме усеченного поперечной плоскостью тора, образуя вместе с торцевой плитой 12 кольцеобразную полость, разделенную двумя перегородками 16 (или одной диаметральной перегородкой) на две камеры 17 и 18 (фиг.2). Каждая крышка 15 имеет в зоне соответствующей камеры 17, 18 патрубки 19 и 20, предназначенные для подвода и отвода охлаждаемой и охлаждающей сред, причем с одной стороны теплообменного аппарата камера 17 сообщена с патрубком 19, а с другой стороны теплообменного аппарата камера 17 сообщена с патрубком 20 крышки 15, и наоборот, с одной стороны теплообменного аппарата камера 18 сообщена с патрубком 19, а с другой стороны теплообменного аппарата камера 18 сообщена с патрубком 20 крышки 15. Камеры 17 и 18 сообщены с соответствующими кольцевыми полостями 6, 7, 8, 9 через пазы 13 и 14, причем каждая камера 18 сообщена с кольцевыми полостями 6, 8, считая от центральной оси 21, через пазы 14, а каждая камера 17 сообщена с кольцевыми полостями 7 и 9, считая от центральной оси 21, через пазы 13.
Стенки труб 1, 2, 3, 4, 5 выполнены с рифлениями 22, ориентированными поперек направления потока охлаждающей и охлаждаемой сред (фиг.6).
Каждая торцевая плита 12 имеет центральное отверстие 23, сообщенное с полостью внутри трубы 5 меньшего диаметра.
Работает устройство следующим образом.
В теплообменном аппарате предусмотрены две полости, изолированные между собой и предназначенные для охлаждающей и охлаждаемой сред. Устройство выполнено таким образом, чтобы обеспечить наиболее благоприятные условия для теплообмена сред в минимальных габаритах с минимальными потерями. Теплообменный аппарат имеет четыре патрубка 19, 20, при этом патрубок 19 одной крышки 15 и патрубок 20 другой крышки 15 предназначены для подвода и отвода одной среды, а два других патрубка 19 и 20 соответствующих крышек 15 предназначены для подвода и отвода другой среды. Предположим, что к патрубку 19 первой крышки 15 подается из магистрали охлаждаемая среда, которая попадает в камеру 17 данной крышки 15 и через пазы 13 торцевой плиты 12 попадает в кольцевые полости 7 и 9, посредством каналов 11 обтекает эти полости по винтовой спирали и через пазы 13 другой торцевой плиты 12 поступает в камеру 17 второй крышки 15, откуда через патрубок 20 сливается в магистраль. Также происходит и с охлаждающей средой: к патрубку 19 второй крышки 15 подается из магистрали охлаждающая среда, которая попадает в камеру 18 данной крышки и через пазы 14 соответствующей торцевой плиты 12 посредством каналов 11 попадает в кольцевые полости 6 и 8, обтекает их по винтовой спирали и через кольцевые сегментные пазы 14 другой торцевой плиты 12 поступает в камеру 18 первой крышки 15, откуда через патрубок 20 сливается в магистраль.
Таким образом, охлаждаемая и охлаждающая среды, протекая по винтовым каналам 11, разделенным между собой стенками труб 1, 2, 3, 4, 5 и перегородками 10, осуществляют теплообмен.
Преимущества предлагаемого теплообменника по сравнению с известными заключаются в следующем:
1. Введение в корпус многослойного пакета «труба в трубе» с чередующимися кольцевыми полостями, для протока охлаждающей и охлаждаемых сред позволяет более эффективно использовать устройство при его минимальных габаритах.
2. Введение в кольцевые полости перегородок 10 в виде винтовых спиралей обеспечивает прохождение сред от одного торца теплообменного аппарата к другому по винтовым спиральным каналам 11, существенно увеличивая длину контакта соответствующих сред и скорость потоков, что способствует более эффективному теплообмену сред.
3. Устройство позволяет обеспечивать противоток охлаждающей и охлаждаемой сред.
4. Устройство обеспечивает минимальное гидравлическое сопротивление прохождению сред благодаря тому, что весь тракт теплообменивающихся сред плавно меняет свое направление, начиная с входных патрубков, ориентированных тангенциально, позволяющих с минимальным углом уклона осуществлять переход в винтовые спиральные каналы (фиг.7).
5. Для более эффективного теплообмена между средами в устройстве предусмотрены особенности конструкции, обеспечивающие турбулизацию пограничного слоя потока, а именно: введены рифления 22 на стенках труб, ориентированных поперек направления потока сред.
6. Устройство обладает хорошей технологичностью, так как трубы 1, 2, 3, 4, 5 представляют собой цилиндрические оболочки, лишенные каких-либо боковых отверстий или патрубков.