ТЕПЛООБМЕННЫЙ АППАРАТ С КОАКСИАЛЬНЫМ РАСПОЛОЖЕНИЕМ ТЕПЛООБМЕННОЙ ПОВЕРХНОСТИ
HEAT EXCHANGER WITH COAXIAL ARRANGEMENT OF HEAT EXCHANGE SURFACE

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано для создания эффективных малогабаритных теплообменников различного назначения для различных отраслей промышленности, например, строительства, химической и других отраслей в системе вентиляции помещений.
Актуальной задачей в области разработок теплообменников является повышение эффективности теплообмена с одновременным уменьшением их габаритов и снижением массы.
н
н
н
н
н
y
y1
н
y
н
y1
2
2
2
2
Известен патент (RU 2306515, F28D 7/00, опубл. 20.09.2007). Кожухотрубный теплообменник, содержащий распределительную камеру с крышкой, соединенную с кожухом, теплообменные трубы, соединенные перегородками с сегментными вырезами, и штуцера для межтрубного и трубного пространств, отличающийся тем, что распределительная камера разделена перегородкой, а со стороны, противоположной распределительной камере, в крышке кожуха, размещена плавающая головка, при этом отношение наружного диаметра D кожуха к длине L теплообменных труб находится в оптимальном интервале величин D/L=0,14…0,26, отношение диаметра теплообменных труб d к наружному диаметру D кожуха находится в оптимальном интервале величин d/D=0,02…0,14, общее количество теплообменных труб находится в оптимальном интервале величин 13…1701, поверхность теплообмена при длине теплообменных труб L, лежащей в диапазоне от 1 до 9 м, находится в оптимальном интервале величин 1,0…961 м, площадь сечения потока в сегментных вырезах перегородок находится в оптимальном интервале величин 30…1640 м, площадь сечения потока между перегородками находится в оптимальном интервале величин 50…1870 м, площадь сечения одного хода по теплообменным трубам находится в оптимальном интервале величин 40…3750 м, отношения наружного диаметра D кожуха к диаметрам условного прохода D штуцеров для трубного и условного прохода D штуцеров для межтрубного пространства, соответственно, равны D/D=D/D и находятся на оптимальном интервале величин 1,9…4,0.
Недостатком такого решения является отсутствие увеличения площади теплообмена при сохранении исходных габаритов.
Известен патент (RU 2455604, F28D 9/00, опубл. 10.07.2012). Пластинчатый теплообменник содержит множество теплообменных пластин. Пластины расположены одна рядом с другой и постоянно соединены друг с другом, образуя пакет пластин, имеющий промежутки между первой пластиной и промежутки между второй пластиной. Каждая теплообменная пластина имеет теплопередающую область и четыре области с отверстием, определенных краем отверстия. Каждая из областей с отверстием содержит плоскую кольцевую область, расположенную на одном из уровней - первичном или вторичном, а также множество внутренних участков на плоской кольцевой области на другом из уровней - первичном или вторичном. Каждый внутренний участок имеет внутреннюю часть, примыкающую к краю отверстия, и внешний сегмент, примыкающий к внутренней части и имеющий угловую протяженность, по меньшей мере в 180°. Внешний сегмент имеет непрерывный контур и радиус R, который может изменяться внутри диапазона 0,8R≤R≤1,2R. Технический результат - создание пластинчатого теплообменника с высоким расчетным давлением.
Недостатки данного решения: сложность сборки и сложность герметизации большой площади при сборке модели.
Наиболее близким к заявленному изобретению является теплообменник (SU 1086336 A1, F28D 7/10 F28D 9/04). Теплообменник, содержащий коаксиальные трубы, скрепленные попарно посредством поперечных полукольцевых перегородок-заглушек, расположенных на противолежаших торцах труб диаметрально противоположно, а на каждом из торцов смежных труб - с чередованием, с образованием между трубами спиральных щелевых каналов, подключенных к коллекторным камерам, разделенным перегородкой на полости, подключенные к соответствующим патрубкам подвода и отвода сред, отличающийся тем, что, с целью интенсификации теплообмена и облегчения монтажно-демонтажных работ, каждая пара труб соединена переточными штуцерами, расположенными по длине труб с заданным шагом, перпендикулярно их продольной оси, и имеющими на торцах косые срезы под углом 45° относительно продольной оси труб, при этом срезы направлены в противоположные стороны как в смежных штуцерах, так и у каждого отдельно взятого штуцера, а коллекторные камеры присоединены к наружной трубе.
Недостаток данного патента: сложность конструкции, увеличенное аэродинамическое сопротивление, сложность герметизации между каналами встречных потоков, в зоне установки переточных штуцеров.
Задача, решаемая предлагаемым изобретением - теплообменный аппарат с коаксиальным расположением теплообменной поверхности сможет работать с большей интенсификацией процессов теплообмена.
Технический эффект: интенсификация теплообмена за счет уменьшения мертвой зоны (нерабочей зоны) в начале и конце теплообменного аппарата, возможность масштабирования без потери эффективности, уменьшение аэродинамического сопротивления.
Указанный результат достигается тем, что теплообменный аппарат, размещенный в цилиндрическом корпусе, с раструбами для входов и выходов воздушных сред, имеет перегородку для разделения воздушных потоков первой и второй среды, с отверстиями треугольной формы для прохода воздушных сред по кругу торцевого дугообразного разделительного фланца треугольной формы и поверхность теплообмена, которая формируется из пучка прямолинейных тонкостенных труб различного диаметра, собранных в пакет коаксиального типа, ограниченного торцевыми дугообразными разделительными фланцами треугольной формы, с установленными в пазах лопастями, для прохождения и разделения первой и второй среды по расположенному внутри труб пространству.
Теплообменный аппарат может быть выполнен, например, с использованием технологии 3D печати.
Заявляемое изобретение соответствует критерию новизна, поскольку в настоящее время из уровня техники не известны аналогичные устройства, характеризуемые приведенной совокупностью существенных признаков. Отличиями заявляемого решения являются новая форма выполнения конструктивных элементов и взаимосвязей между ними.
Предлагаемое решение раскрывается представленным на фиг. 1 и фиг. 2 теплообменный аппарат с коаксиальным расположением теплообменной поверхности, а также описанием процесса его работы.
На фигуре позициями обозначены:
1 - цилиндрический корпус,
2 - теплообменная поверхность состоящая из труб различного диаметра,
3 - центральная трубка со шпилькой внутри,
4 - торцевые дугообразные разделительные фланцы треугольной формы,
5 - перегородка для разделения воздушных потоков сред с отверстиями треугольной формы,
6, 7 - раструб в стенке корпуса 1 для входа и выхода первой среды,
8, 9 - раструб в стенке корпуса 1 для входа и выхода второй среды,
10 - межтрубное пространство,
11 - лопасти.
Направление движения сред показывают стрелки: синяя линия - движение потоков первой среды; красная линия - движение потоков второй среды.
Сущность заявляемого решения заключается в том, что в предлагаемой конструкции используется коаксиальное расположение теплообменных поверхностей с дугообразными разделительными фланцами треугольной формы и лопастями, установленными в пазах дугообразных разделительных фланцев.
За счет данного решения достигается интенсификация теплообмена, уменьшение мертвой зоны (нерабочей зоны) в начале и конце теплообменного аппарата, с возможностью создания заданной мощности путем масштабирования без потери эффективности, уменьшение аэродинамического сопротивления.
Указанный технический эффект достигается новой, не известной из уровня техники совокупностью существенных признаков и, следовательно, заявляемое изобретение имеет изобретательский уровень.
Выполнение модуля монолитным - оптимальный вариант выполнения, поскольку обеспечивается максимально возможная теплопередача между всеми элементами конструкции, в том числе теплообмен между стенками каналов для прохождения первой и второй сред. Монолитное исполнение - гарантированное отсутствие тепловых сопротивлений, возникающих при соединении деталей из-за наличия воздушных прослоек между ними при разных видах соединения, сборки, и возможность работы при больших давлениях взаимодействующих сред. Использование современных технологий изготовления монолитных конструкций, например, по технологии 3D печати с помощью термического плавления, дает возможность расширить круг используемых материалов и снять ограничения с размеров, например, расстояний между соседними каналами, связанные с технологическим возможностями изготовления и толщин стенок каналов. Такие технологии позволяют использовать современные материалы, например, композиционные материалы с хорошей теплопроводностью.
Теплообменный аппарат с коаксиальным расположением теплообменной поверхности, представленный на фиг. 1 и фиг 2, работает следующим образом: воздух в помещение нагнетается и удаляется с помощью вентиляторов, точки забора и удаления находятся в разных координатах помещения, со стороны улицы точки забора и удаления также разнесены в пространстве для предотвращения смешивания потоков. Первая среда (уличный воздух) забирается через раструб 8, и подается в корпус 1 теплообменника. Для предотвращения смешивания и разделения воздушных потоков, внутри корпуса находятся герметично установленные перегородки 5 с отверстиями треугольной формы. Поток воздуха поступает к торцевому дугообразному разделительному фланцу 4, который имеет треугольную форму, для уменьшения аэродинамического сопротивления с наружной стороны. Также фланец содержит дополнительное пространство с внутренней стороны, для более быстрого и равномерного распределения забираемой среды по круговой поверхности теплообмена. В пазах между дугообразными разделительными фланцами 4 установлены лопасти 11 для создания вихревого движения воздуха и направления части воздушного потока через треугольные отверстия в внутреннюю часть дугообразных разделительных фланцев 4 для лучшего распределения его по теплообменной поверхности.
Образованный вихревой поток проходит через межтрубное пространство 10 (между двумя соседними трубами), забирает тепло от встречного потока воздуха (проходящего параллельно по соседним каналам), и поступает в помещение через раструб 9. Встречный поток воздуха идет одновременно по параллельным каналам тонкостенных трубок с коаксиальным размещением. Теплый воздух, забранный из помещения через раструб 7, пройдя через торцевой дугообразный разделительный фланец 4 и, отдав тепло, выбрасывается на улицу 6. Тем самым через стенки тонкостенных труб происходит теплообмен между встречными потоками воздуха. Так как тонкостенные трубки собраны коаксиальным пакетом, а в перегородке 5 есть отверстия треугольной формы и в пазах торцевого дугообразного разделительного фланца установлены лопасти для создания вихревого движения воздуха, воздух идет не прямолинейно, а закручивается, образовывая вихревой поток, двигающийся по кругу в межтрубном пространстве. Центральная трубка со шпилькой внутри 3 используется для конструктивной части, то есть для фиксации теплообменного аппарата в пространстве, поэтому не используется для движения воздуха.
Теплообменник выполнен одноходовым, в соответствии с фиг. 1. и фиг 2. Каналы для прохождения первой и второй среды - межтрубное пространство, расположенные в полости корпуса коаксиально.
Предлагаемое изобретение может быть реализовано при помощи современных технологий 3D-печати. Эти технологии дают широкие возможности для вариаций размеров конструкции и применяемых материалов и, следовательно, расширяют сферу применения таких теплообменных модулей. Таким образом, предлагаемое изобретение является промышленно применимым и может обеспечить решение широкого круга задач - от бытовых приборов до, например, промышленной вентиляции.
Использованные источники
1. Патент RU 2306515, F28D 7/00, Кожухотрубный теплообменник опубл. 20.09.2007 Авторы: Евенко В.И., Анисин А.К., Порошин Б.В., Евенко В.В. Кочетов О.С, Кочетова М.О., Львов Г.В.
2. Патент RU 2455604, F28D 9/00, Пластинчатый теплообменник опубл. 10.07.2012 Авторы: ЛАРССОН X.(SE), БЕРМХУЛЬТ P. (SE), АНДРЕАССОН Ф. (SE), КРИСТЕНСЕН P. (SE), СВЕНССОН М. (SE).
3. Патент SU 1086336 А1, F28D 7/10 F28D 9/04, Теплообменник. 15.04.1984 Авторы: Данилов М.П., Журковский И.С., Скоропад А.Г., Иванов И.В.