МОДУЛЬНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК

Полезная модель относится к теплоэнергетике, в частности, к теплообменникам модульного типа с увеличенной площадью поверхности теплообмена, и может быть использована для нагрева и охлаждения в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха в жилых и производственных помещениях, а также в холодильных системах.
Важными условиями функционирования теплообменных устройств для нагрева и охлаждения воздуха в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха в жилых и производственных помещениях, 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. Данным условиям в наибольшей мере соответствуют теплообменные устройства модульного типа, которые позволяют обеспечить необходимую эффективность теплообменных процессов для различных сред за счет изменения параметров камер теплообмена и трактов теплоносителя путем варьирования количеством и взаимным расположением отдельных модулей в системе.
Известен модульный теплообменник (Патент RU №2042911, F24D 9/00, дата публикации 27.08.1995 г.), содержащий, по меньшей мере, один модуль, состоящий из корпуса, образующего камеру теплообмена, выполненного с возможностью подвода и отвода теплоносителя посредством распределительных коллекторов. Корпус выполнен коробчатой формы с открытыми торцами. Внутри корпуса размещен пакет пластин с уплотнителями между ними, образующими проточные каналы для теплоносителей. На одном из торцев корпуса под пакетом пластин с уплотнителями закреплено днище, а на противоположном торце 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 в модуле 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 перекрестного тока - путем разных вариантов подачи теплоносителей через входные и выходные отверстия в корпусе.
Теплообменник может состоять из одного или из нескольких модулей. В теплообменнике, состоящем из нескольких модулей, съемные крышки фиксируют пакеты пластин с уплотнителями в модулях, расположенных под ними. Упомянутые крышки, разделяющие модули, выполняют роль перегородок, задающих схему потока теплоносителя в соседних модулях, а также перераспределяют усилия давления между несущими деталями коробчатого корпуса. Такое конструктивное исполнение позволяет реализовать многоконтурную схему теплообмена.
Указанный модульный 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 проточных каналов - при изменении количества пластин и уплотнений в пакетах модулей, так и за счет изменения схемы движения теплоносителей - при изменении взаимного расположения модулей в корпусе.
Недостатками известного теплообменника являются:
- большая материалоемкость и сложность конструкции, обусловленная наличием значительного количество деталей в модуле, что существенно увеличивает стоимость его изготовления;
- ограниченная область применения, обусловленная конструктивным исполнением модуля, исключающим его использование в системах, в которых теплопередача осуществляется от корпуса непосредственно в объект обслуживания;
- 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 модульного теплообменника-аналога и удорожают стоимость его изготовления, а также ремонта и обслуживания в процессе эксплуатации.
Известен модульный теплообменник (Патент RU №2309354, F28D 7/06, дата публикации 27.10.2007 г.), содержащий, по меньшей мере, один модуль, состоящий из корпуса, образующего камеру теплообмена, выполненного с возможностью подвода и отвода теплоносителя посредством распределительных коллекторов. Корпус выполнен из трубы U-образной формы, торцевые части которой жестко соединены с двумя распределительными коллекторами из труб большего диаметра с фланцами на торцах.
Коллекторы жестко соединены между собой поперечинами. Теплообменник может состоять из одного или из нескольких модулей. При сборке модули жестко соединены между собой планками, а между фланцами коллекторов размещены уплотнительные прокладки, кольцевые шайбы и/или заглушки, посредством которых задается направление движения теплоносителя. Кольцевые шайбы используются также для регулирования скорости подачи теплоносителя.
Модули в теплообменнике могут быть расположены последовательно в один ряд, по замкнутому периметру или смонтированы под углом относительно друг друга. В прямоточном теплообменнике заглушки установлены между фланцами нагнетательных и обратных коллекторов в шахматном порядке через четное количество модулей, а в теплообменнике с угловой конфигурацией дополнительно используют фланцевые колена.
Указанный модульный 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 проточных каналов - при изменении количества модулей, так и за счет изменения схемы движения теплоносителя - при использовании кольцевых шайб и/или заглушек и изменении взаимного расположения модулей. При этом теплообменник отличается простотой конструкции и удобством ремонта и обслуживания в процессе эксплуатации. Теплообменник применяется для нагрева растворов в емкостях и аппаратах для очистки, например, при подготовке поверхностей изделий перед окраской.
Недостатками известного теплообменника являются:
- сравнительно низкая эффективность теплообмена, обусловленная выполнением корпуса трубчатой формы со сравнительно небольшой поверхностью теплообмена;
- ограниченная область применения, обусловленная конструктивным исполнением модуля, исключающим его использование в системах кондиционирования и вентиляции воздуха, а также в системах централизованного или автономного отопления и охлаждения жилых и производственных помещений;
- сравнительно большая материалоемкость, обусловленная применением толстостенных деталей для изготовления модуля.
Указанные недостатки существенно ограничивают функциональные возможности теплообменника и снижают эффективность теплообмена.
В основу полезной модели поставлена задача создания такого модульного теплообменника, в котором за счет иного конструктивного исполнения корпуса и закрепленных на нем ребер обеспечиваются повышение эффективности теплообмена в
сочетании с простотой конструкции, невысокой стоимостью изготовления и обслуживания в процессе эксплуатации, и, как следствие, расширение области применения.
Поставленная задача решается тем, что в модульном теплообменнике, содержащем, по меньшей мере, один модуль, состоящий из корпуса, образующего камеру теплообмена, выполненного с возможностью подвода и отвода теплоносителя посредством распределительных коллекторов, согласно полезной модели корпус выполнен коробчатой формы с открытыми торцевыми частями и имеет соединительные разъемы, а на наружных поверхностях, по меньшей мере, двух противоположных бокових стенок корпуса закреплены ребра, расположенные с некоторым шагом друг относительно друга и перпендикулярно к поверхности стенок.
Для повышения эффективности теплообмена и снижения массы модуля теплообменника его корпус и ребра выполнены из тонкого листового металла, не взаимодействующего с применяемым теплоносителем, например, алюминия.
Для упрощения конструкции и снижения стоимости, соединительные разъемы образованы отгибом наружу концевых частей, по меньшей мере, двух упомянутых противоположных боковых стенок корпуса.
Для обеспечения удобства при изготовлении и в процессе эксплуатации, в т.ч. при ремонте и замене вышедших из строя теплообменных модулей, соединительные разъемы содержат отверстия для соединения с подобными корпусами или с распределительными коллекторами посредством крепежных элементов.
Для упрощения конструкции и снижения стоимости изготовления при одновременном обеспечении необходимых прочностных качеств стенки корпуса соединены в короб посредством заклепочного соединения.
Для повышения надежности при эксплуатации в зоне заклепочных соединений между прилегающими друг к другу поверхностями кромок стенок корпуса расположен герметик, например, силиконовый.
Для повышения эффективности теплообмена количество и высота ребер выбираются из условия, при котором общая площадь их поверхности не менее общей площади поверхности стенок корпуса.
1
2
Для упрощения конструкции и снижения трудоемкости монтажа и демонтажа ребра закреплены на наружных поверхностях противоположных стенок корпуса симметрично друг относительно друга или с некоторым смещением, например, на / шага.
Для повышения эффективности теплообмена ребра выполнены в виде, например, П-образного профиля, и закреплены на стенках корпуса посредством перемычки
упомянутого профиля посредством заклепочного соединения, включающего не менее трех заклепок по длине каждого ребра.
Для повышения надежности при эксплуатации в зоне заклепочного соединения между прилегающими друг к другу поверхностями перемычек ребер и упомянутых стенок корпуса расположен герметик, например, силиконовый.
Для регулирования эффективности теплообменного процесса с учетом изменения условий эксплуатации при неизменных параметрах на входе в теплообменник модульный теплообменник состоит из нескольких модулей, соединенных между собой с образованием проточных каналов для последовательного или параллельного движения теплоносителя.
Для повышения надежности при эксплуатации между прилегающими друг к другу поверхностями соединительных разъемов модулей размещены изолирующие прокладки или герметик, например, силиконовый.
Для повышения эффективности теплообмена корпус выполнен с размещенным в нем в направлении движения теплоносителя, по меньшей мере, одним элементом для турбулизации теплоносителя, выполненным, например, в виде винтовой пружины.
Совокупность общих и отличительных существенных признаков заявляемой полезной модели позволяет реализовать в модульном 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 как за счет изменения количества модулей в теплообменнике, так и за счет изменения схемы движения теплоносителя при разном взаимном расположении модулей. Указанный результат достигается в сочетании с небольшими габаритными размерами и массой модулей, простотой конструкции, невысокой стоимостью, а также удобством и технологичностью монтажа и обслуживания в процессе эксплуатации. Коробчатая форма корпуса модуля с открытыми торцевыми частями и соединительными разъемами, образованными отгибом наружу концевых частей, по меньшей мере, двух противоположных боковых стенок корпуса, обеспечивает, во-первых, возможность компоновки теплообменника из нескольких последовательно или параллельно расположенных модулей при соответствующем увеличении площади теплообмена, во-вторых, возможность замены отдельных модулей в теплообменнике для осмотра, очистки или ремонта при засорении или повреждении корпуса. 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 модулей теплообменников и схем их соединения в системах теплообмена. Модульный теплообменник может использоваться для теплообмена между средами жидкость-жидкость, жидкость-воздух и воздух-воздух. С учетом условий эксплуатации в качестве жидкого теплоносителя в камере теплообмена могут применяться горячая и холодная вода, незамерзающие жидкости (пропиленгликоль, этиленгликоль) или масло.
Сущность полезной модели поясняется представленными фигурами чертежа, где на фиг.1 - общий вид модульного теплообменника; на фиг.2 - схема соединения модуля с распределительными коллекторами; на фиг.3 - схема последовательного соединения модулей теплообменника; на фиг.4 - схема соединения модулей теплообменника с параллельным движением теплоносителя; на фиг.5 - схема соединения модулей теплообменника с последовательным движением теплоносителя.
Модуль теплообменника (фиг.1) состоит из корпуса 1 коробчатой формы с открытыми торцами, который образован соединением стенок 2 и 3 посредством одного ряда заклепок 4. Между прилегающими друг к другу поверхностями стенок 2 и 3 в зоне заклепочного соединения расположен герметик - силикон (не показан). Концевые части стенок 2 и 3 отогнуты наружу и образуют соединительные разъемы 5 и 6, которые содержат отверстия 7 для соединения с подобными модулями или распределительными коллекторами посредством крепежных элементов.
1
2
На упомянутых стенках 2 и 3 перпендикулярно к их поверхностям с заданным шагом закреплены ребра 8, выполненные в виде П-образных профилей с перемычкой 9 и вертикальными поверхностями 10, которые вместе со стенками корпуса 1 образуют теплообменные поверхности. Крепление ребер 8 к стенкам 2 и 3 выполнено посредством не менее трех заклепок 11. Ребра 8 закреплены на противоположных стенках 2 и 3 симметрично друг относительно друга или со смещением друг относительно друга на / шага. Между поверхностями перемычек 9 и прилегающими к ней поверхностями стенок 2 и 3 размещен силиконовый герметик (не показан). Длина каждого ребра 8 соответствует длине стенки 2 и 3, а суммарная площадь вертикальных поверхностей 10 на ребрах 8 превышает общую площадь поверхности стенок корпуса 1.
2
2
2
В рассматриваемом примере корпус 1 и ребра 8 модульного теплообменника 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 ребра - 30 мм, ширина перемычки - 12 мм. Количество ребер на каждой стенке - 13 штук. Площадь теплообмена: корпуса без ребер - 0,324 м, ребер - 0,437 м, общая -0,761 м.
Модульный теплообменник работает следующим образом.
Пример 1. Модульный теплообменник, состоящий из одного модуля (фиг.2).
Теплообменник включает один модуль и два одинарных распределительных коллектора 12 и 13, выполненных в виде замкнутых коробчатых корпусов, каждый из которых содержит на одной из стенок патрубок 14 для подвода или отвода теплоносителя, а на противоположной стенке разъем 15 для соединения с соответствующими разъемами 5 и 6 на корпусе 1 модуля. Упомянутые коллекторы 12 и 13 соединены с корпусом 1 через отверстия 7 (фиг.1) в соединительных разъемах 5 и 6 посредством крепежа, например, заклепок (не показаны). Поверхности сопрягаемых соединительных разъемов 5 и 6 загерметизированы герметиком, например, силиконовым, или уплотнительными прокладками (не показаны). Ребра 8 закреплены на противоположных боковых стенках 2 и 3 симметрично друг относительно друга. Внутри корпуса 1 в направлении движения теплоносителя закреплены два элемента 16 для турбулизации теплоносителя, выполненные в виде винтовых пружин.
От источника тепловой энергии 17 теплоноситель (жидкость или воздух) подается в собранный модульный теплообменник через патрубок 14 одного из распределительных коллекторов, например, 12. Проходя через камеру теплообмена внутри корпуса 1, теплоноситель передает часть тепловой энергии (тепло или холод) теплообменной поверхности, образованной стенками корпуса 1 и ребрами 8. Процесс теплообмена существенно интенсифицируется за счет размещения в камере теплообмена элементов 16. Общая эффективность теплообмена дополнительно увеличивается в два и более раза, т.к. суммарная площадь вертикальных поверхностей 10 ребер 8 больше общей площади стенок корпуса 1. Отработанный теплоноситель выводится из камеры теплообмена с противоположной стороны корпуса 1 через патрубок 14 на распределительном коллекторе 13, и далее через расширительный бачок 18 и циркуляционный насос 19 возвращается к источнику тепловой энергии 17. Для повышения эффективности теплообмена дополнительно может использоваться принудительный наружный обдув модуля посредством, например, вентилятора (не показан). Указанный модульный теплообменник может применяться для нагрева и охлаждения воздуха в небольших помещениях или в локальных зонах помещений, а также в холодильных системах.
Пример 2. Модульный теплообменник, состоящий из нескольких последовательно соединенных модулей (фиг.3).
Теплообменник включает несколько, например, три модуля, последовательно соединенных между собой, и два одинарных распределительных коллектора 12 и 13. Сборку модулей выполняют через соединительные разъемы 5 и 6 на их корпусах 1, при
этом стенки 2 и 3 ориентированы в одинаковом направлении, а ребра 8 закреплены на противоположных боковых стенках 2 и 3 симметрично друг относительно друга. На свободных соединительных разъемах 5 и 6 крайних корпусов 1 закреплены распределительные коллекторы 12 и 13. Внутри корпусов 1 в направлении движения теплоносителя закреплены два элемента 16 для турбулизации теплоносителя, выполненные в виде винтовых пружин. Поверхности всех сопрягаемых разъемов при сборке загерметизированы герметиком, например, силиконовым, или уплотнительными прокладками (не показаны). Процесс теплообмена между теплоносителями осуществляется аналогично рассмотренному выше примеру. Указанный модульный теплообменник может применяться для нагрева и охлаждения воздуха в больших помещениях, а также в холодильных системах.
Пример 3. Модульный теплообменник, состоящий из нескольких модулей с образованием параллельного движения теплоносителя (фиг, 4).
1
2
Теплообменник включает несколько, например, четыре параллельно расположенных модуля со смещенным на / шага расположением ребер 8 на противоположных боковых стенках 2 и 3 их корпусов 1 и два блочных распределительных коллектора 20 и 21, выполненных в виде коробчатых корпусов, содержащих на одной из стенок разъемы (не показаны) для соединения с разъемами 5 или 6 на корпусах 1 всех четырех модулей, а на противоположной стенке - патрубок 22 для подвода или отвода теплоносителя. Сборку корпусов 1 выполняют с образованием параллельных проточных каналов для теплоносителя через камеры теплообмена всех модулей. Поверхности всех сопрягаемых разъемов при сборке загерметизированы герметиком, например, силиконовым, или уплотнительными прокладками (не показаны). При этом вертикальные поверхности 10 ребер 8 каждого из корпусов 1 размещаются в зазорах между аналогичными поверхностями 10 на близлежащих корпусах 1, образованных перемычками 9. Такое исполнение позволяет уменьшить объем, занимаемый теплообменником. Для повышения эффективности теплообмена внутри каждого корпуса 1 могут размещаться элементы 16 для турбулизации теплоносителя (не показаны). Подвод теплоносителя от источника тепловой энергии 17 в собранный модульный теплообменник осуществляют через патрубок 22 на распределительном коллекторе, например, 20, далее теплоноситель проходит через камеры теплообмена всех четырех модулей, поступает в распределительный коллектор 21 и через патрубок 22 выводится из него, поступая далее через расширительный бачок 18 и циркуляционный насос 19 к источнику тепловой энергии 17. Процесс теплообмена осуществляется аналогично рассмотренному выше примеру 1. Для повышения эффективности конвективного теплообмена используется, как
правило, принудительный наружный обдув модульного теплообменника посредством, например, вентилятора (не показан). Указанный модульный теплообменник может применяться для теплообмена в системах вентиляции, кондиционирования воздуха, отопительных и холодильных системах.
Пример 4. Модульный теплообменник, состоящий из нескольких модулей с образованием последовательного движения теплоносителя (фиг.5).
1
2
Теплообменник включает несколько, например, пять параллельно расположенных модулей со смещенным на / шага расположением ребер 8 на противоположных боковых стенках 2 и 3 их корпусов 1 и два типоразмера распределительных коллекторов: два одинарных распределительных коллектора 12 и 13 с патрубками 14 для подвода или отвода теплоносителя и четыре двойных распределительных коллектора 23 без патрубков. Распределительные коллекторы 23 выполнены в виде коробчатых корпусов, содержащих на одной из стенок разъемы (не показаны) для соединения с разъемами 5 и 6 на корпусах 1 двух близлежащих модулей. Сборку корпусов 1 выполняют с образованием последовательного проточного канала для теплоносителя через камеры теплообмена всех модулей, для чего одинарные распределительные коллекторы 12 и 13 крепят к соединительным разъемам 5 и 6 противоположных крайних корпусов 1, двойные распределительные коллекторы 23 соединяют попарно с соответствующими разъемами оставшихся модулей, а обращенные друг к другу соединительные разъемы 5-5 и 6-6 на близлежащих корпусах 1 соединяют друг с другом. Поверхности всех сопрягаемых разъемов при сборке загерметизированы герметиком, например, силиконовым, или уплотнительными прокладками (не показаны). При этом вертикальные поверхности 10 ребер 8 каждого из корпусов 1 размещают в зазорах между аналогичными поверхностями 10 на близлежащих корпусах 1, образованных перемычками 9. Такое исполнение позволяет уменьшить объем, занимаемый теплообменником. Для повышения эффективности теплообмена внутри каждого корпуса 1 могут размещаться элементы 16 для турбулизации теплоносителя (не показаны). Подвод теплоносителя от источника тепловой энергии 17 в собранный модульный теплообменник осуществляется через одинарный распределительный коллектор, например, 12, далее теплоноситель, меняя направление движения в двойных распределительных коллекторах 23, последовательно проходит через камеры теплообмена всех пяти модулей и выводится из противоположного одинарного распределительного коллектора 13, поступая через расширительный бачок 18 и циркуляционный насос 19 к источнику тепловой энергии 17. Процесс теплообмена осуществляется аналогично рассмотренному выше примеру 1. Для повышения эффективности конвективного теплообмена используется, как правило,
принудительный наружный обдув корпусов 1 теплообменника посредством, например, вентилятора (не показан). Указанный модульный теплообменник может применяться для теплообмена в системах вентиляции и кондиционирования воздуха, а также в холодильных системах.
В рассмотренных примерах схемы подключения теплообменника могут дополняться элементами для регулирования температуры теплообмена, а также устройствами для защиты от замерзания.
Предлагаемая конструкция модульного теплообменника является универсальной, т.к. позволяет использовать его для нагрева и охлаждения помещений или локальных зон в них, а также в системах вентиляции, кондиционирования воздуха и холодильных системах. Теплообменник обладает высокой эффективностью теплообмена, а также позволяет осуществлять ее регулирование с учетом изменения внешних условий при неизменных параметрах теплоносителя. Теплообменник отличается простотой конструкции, имеет небольшие габаритные размеры и невысокую стоимость в сочетании с удобством и технологичностью монтажа и обслуживания в процессе эксплуатации.