ТЕПЛООБМЕННИК (ВАРИАНТЫ)
HEAT EXCHANGER (VERSIONS)

Изобретение относится к области теплообменной техники и может быть использовано в системах охлаждения электрических машин и трансформаторов, а также в системах отопления и вентиляции производственных и бытовых помещений. Наиболее эффективное использование данного изобретения возможно в тех теплообменниках, в которых количество теплообменных труб равно или близко к количеству ходов теплообменной среды, протекающей внутри них, то есть в теплообменниках змеевикового типа.
Известны теплообменники, поверхности нагрева которых выполнены в виде непрерывного трубопровода, изогнутого в форме плоского змеевика и имеющего наружное поперечное оребрение из ленты нужной высоты и толщины с постоянным шагом ребер в основании на прямолинейном участке трубы, при этом на участках изгиба змеевика ребра выполнены меньшей высоты (US №2868515).
Изготовление такого теплообменника связано с большими технологическими трудностями (изгиб трубы с оребрением). В процессе эксплуатации отсутствует возможность проведения ремонта змеевика, в частности невозможно осуществлять механическую очистку внутренних поверхностей от накипи и взвесевых отложений, присутствующих в теплообменной среде в реальных условиях эксплуатации.
Известна конструкция теплообменника, в котором змеевик изготавливают из нескольких частей предварительно оребренных прямых труб, концы которых оставляют свободными от ребер, путем выполнения гиба (или гибов) на первый отруб, приварки к ее концу встык очередной прямой трубы, зачистки стыка от внутреннего нагара, последующее выполнение гибов на присоединяемой части и последовательное повторение указанных операций с каждой присоединяемой трубой до полного изготовления змеевика или заданной его части (RU №2061945 C1).
Такие змеевиковые теплообменники более технологичны, однако их также невозможно ремонтировать, очищать внутреннюю поверхность змеевика или восстанавливать на ней защиту от коррозии.
Известен теплообменник змеевикового типа, содержащий расположенные вертикально входную и выходную камеры (полости с элементами для подвода и отвода среды), теплоотдающие элементы, выполненные в виде труб со спирально-накатным или спирально-навивным оребрением, размещенным поперечными рядами на их наружной поверхности, и выполненных из материала с высоким коэффициентом теплопроводности, опирающихся на специальные гребенки, которые приварены к уголкам, а также содержащие отводы и калачи оребренных труб, выполненные гладкими и закрытые дефлекторами (RU №30960 U1).
Недостатками известной секции оребренной змеевиковой являются:
- высокая трудоемкость ее производства, обусловленная ее конструкцией, связанная с трудностью организации автоматизированного процесса сварки (спайки) калачей и отводов с оребренными трубами;
- в процессе эксплуатации отсутствует возможность проведения ремонта секции, связанного с ее разбором, затем механической очисткой внутренних поверхностей оребренных труб от накипи и взвесевых отложений, присутствующих в теплообменной среде в реальных условиях эксплуатации;
- в процессе эксплуатации отсутствует возможность восстановления внутренней защиты секции от коррозии.
Таким образом, все известные конструкции змеевиковых теплообменников при высоком уровне отбора тепла за счет обеспечения движения охлаждаемой среды по змеевику имеют один существенный недостаток: невозможно осуществить механическую очистку внутренних поверхностей змеевиковых теплообменных труб от накипи и взвесовых отложений, т.к. конструкция неразборная.
Кроме того, изготовление теплообменников змеевикового типа обычно связано с необходимостью использования гибки, сварки и др. довольно трудоемких операций.
Техническая задача: создание разборной конструкции теплообменника змеевикового типа.
Техническим результатом, достигаемым настоящим изобретением, является создание разборной конструкции теплообменника змеевикового типа, которая обеспечивает снижение трудоемкости производства теплообменника при одновременном обеспечении возможности механической очистки внутренних поверхностей теплообменных труб от накипи и взвесевых отложений, восстановления внутренней защиты от коррозии, а также повышение надежности и срока эксплуатации.
Для достижения указанного результата в теплообменнике по первому варианту выполнения, содержащем закрепленные теплообменные трубы, связанные с подводящим и отводящим патрубками, согласно изобретению трубы установлены в трубных стенках, закрытых крышками с отверстиями для соединения с подводящим и отводящим патрубками соответственно, при этом между каждой трубной стенкой и крышкой установлены дополнительные плоские матрицы со сквозными отверстиями, образующими внутренние каналы, связывающие, по крайней мере, одну пару труб между собой, а также с отверстиями, совпадающими с отверстиями в крышках.
Каждая матрица с одной или с двух сторон закрыта герметичными прокладками, внутренняя из которых снабжена отверстиями, идентичными отверстиям трубной стенки, а наружная снабжена отверстиями, совпадающими с отверстиями крышки.
При этом форма и размеры отверстий в матрице могут выбираться исходя из условия равенства сечения канала по всему пути следования теплообменной среды, матрица выполнена из металла, сплава или неметаллического материала. С каждой из сторон теплообменника может быть послойно установлено более одной матрицы. Матрица и крышка могут быть неразъемно соединены друг с другом. Матрица и трубная стенка также могут быть неразъемно соединены друг с другом.
Во втором варианте выполнения теплообменника, содержащего закрепленные теплообменные трубы, связанные с подводящим и отводящим патрубками, трубы установлены в трубных стенках, при этом к каждой трубной стенке примыкает матрица с внутренними каналами, связывающими, по крайней мере, одну пару труб между собой, а также со сквозным отверстием, совпадающими с отверстием соответствующего патрубка.
Между трубной стенкой и матрицей установлена герметичная прокладка с отверстиями, совпадающими с отверстиями трубной стенки.
Форма и размеры отверстий в матрице выбираются исходя из условия равенства сечения канала по всему пути следования теплообменной среды. Матрица может быть выполнена из металла, сплава или неметаллического материала. С каждой из сторон теплообменника может быть послойно установлено более одной матрицы. Матрица и трубная стенка могут быть неразъемно соединены друг с другом.
В третьем варианте выполнения в теплообменнике, содержащем закрепленные теплообменные трубы, связанные с подводящим и отводящим патрубками, трубы установлены в трубных стенках, при этом в трубных стенках с внешней стороны выполнены внутренние каналы, связывающие, по крайней мере, одну пару труб между собой, а также сквозное отверстие, совпадающее с отверстием соответствующего патрубка.
Форма и размеры каналов в трубной стенке выбираются исходя из условия равенства сечения канала по всему пути следования теплообменной среды. Трубная стенка выполнена из металла, сплава или неметаллического материала.
Кроме того, трубы могут быть выполнены оребренными, в каждом из ходов теплообменника может быть использовано более одной теплообменной трубы, а количество теплообменных труб в разных ходах теплообменника может отличаться.
Таким образом, при креплении теплообменных труб, в том числе оребренных, с помощью обычных трубных стенок со сквозными отверстиями за счет использования специальных матриц, выполняющих функцию необходимой связи друг с другом теплообменных труб, то есть изменяющих направление течения теплообменной среды из одной или нескольких труб на противоположное также в одной или нескольких трубах, обеспечивается решение поставленной задачи.
Месторасположение отверстий выбирается исходя из необходимости создания каналов между трубной стенкой и крышкой для протока первой теплообменной среды по теплообменным трубам от входного патрубка к выходному, во встречном направлении по отношению к потоку второй теплообменной среды, движущейся в межреберном пространстве теплообменных труб, при этом форма и размеры отверстий выбираются исходя из необходимости создания по возможности равного сечения канала следования первой теплообменной среды по пути от входного патрубка, проточному каналу в матрице, теплообменной трубе, и так далее до выходного патрубка.
Герметичные прокладки исключают возможность утечек и обеспечивают перераспределение потока в нужном объеме и в нужном направлении.
Конструкции становится разборной, в результате чего обеспечивается возможность очистки теплообменных труб и восстановления защитного покрытия. Кроме того, значительно упрощается процедура сборки-разборки теплообменника.
Матрицы могут меняться, что позволяет в зависимости от потребностей потребителя изменять технические характеристики теплообменника.
Матрицы могут быть легко изготовлены штамповкой, плазменной резкой или другим способом.
Сущность изобретения поясняется фиг.1, на которой показан теплообменник, одна из сторон которого находится в разобранном состоянии.
Теплообменник по варианту 1 содержит трубные стенки 1 и 2, теплообменные оребренные трубы 3, закрепленные с обоих концов в трубных стенках 1 и 2 с помощью сварки (пайки или вальцовки), крышки 4 и 5, входной и выходной патрубки 6 и 7, закрепленные на крышке 4, рамы 8 и 9, соединяющие трубные стенки 1 и 2, матрицы 10 и 11, герметизирующие прокладки 12, 13, 14 и 15.
В собранном виде крышка 4, герметизирующая прокладка 12, матрица 10, герметизирующая прокладка 13, трубная стенка 1 герметично соединены между собой болтовым соединением 16. Аналогичным образом соединены крышка 5, герметизирующая прокладка 15, матрица 11, герметизирующая прокладка 14 и трубная стенка 2.
Внутренняя герметичная прокладка 13 снабжена отверстиями, идентичными отверстиям трубной стенки 1, а наружная герметичная прокладка 12 снабжена отверстиями, совпадающими с отверстиями крышки 4.
При этом форма и размеры отверстий в матрице 10 выбираются исходя из условия равенства сечения канала по всему пути следования теплообменной среды.
Матрица 10 выполнена из стали, но возможно выполнение из других материалов, например из меди и ее сплавов, а также из термоустойчивых пластических материалов.
В приведенном на чертеже теплообменнике с каждой стороны установлено по одной матрице 10. Однако возможна установка комплекта матриц 10 (две и более), что обеспечивает возможность задания необходимого характера движения теплообменной среды.
В приведенном примере конкретного выполнения матрица 10 (11) и крышка 4 (5) соединены друг с другом посредством болтового соединения 16, Однако возможно их неразъемное соединение друг с другом, например, посредством сварки, пайки и др. В этом случае герметизирующей прокладки 12 (15) между ними нет.
Аналогичным образом матрица 10 (11) и соответствующая трубная стенка 1 (2) могут быть неразъемно соединены друг с другом, потребность в герметизирующей прокладке между ними отпадает.
Форма и размеры отверстий в матрице выбираются исходя из условия равенства сечения канала по всему пути следования теплообменной среды.
Кроме того, в каждом из ходов теплообменника может использоваться по одной или более теплообменных труб, а количество теплообменных труб в разных ходах теплообменника может отличаться.
Во втором варианте выполнения теплообменник выполнен сходным образом (не показан). Он содержит аналогичные вышеописанным трубные стенки, закрепленные в них теплообменные трубы (оребренные или нет), связанные с подводящим и отводящим патрубками.
При этом к каждой трубной стенке через герметизирующую перемычку примыкает матрица с внутренними каналами, связывающие, по крайней мере, одну пару труб между собой, а также со сквозным отверстием, совпадающим с отверстием соответствующего патрубка. Однако в отличие от варианта 1 матрица выполнена за одно целое с крышкой. За счет такого выполнения каналы в матрице получаются закрытыми (внутренними). Необходимость в наружной (внешней) герметизирующей прокладке отпадает. Такую матрицу сложнее изготовить по сравнению с составной, но она также обеспечивает достижение указанного технического результата.
Все остальные конструктивные признаки совпадают с признаками теплообменника по первому варианту.
Между трубной стенкой и матрицей установлена герметичная прокладка с отверстиями, совпадающими с отверстиями трубной стенки.
Форма и размеры отверстий в матрице выбираются исходя из условия равенства сечения канала по всему пути следования теплообменной среды. Матрица может быть выполнена из металла, сплава или неметаллического материала. С каждой из сторон теплообменника может быть послойно установлено более одной матрицы. Матрица и трубная стенка могут быть неразъемно соединены друг с другом.
Кроме того, трубы могут быть выполнены оребренными, в каждом из ходов теплообменника может быть использовано более одной теплообменной трубы, а количество теплообменных труб в разных ходах теплообменника может отличаться.
В теплообменнике по третьему варианту матрица выполнена в виде единой детали с трубной стенкой. Такой теплообменник (не показан) содержит закрепленные теплообменные трубы, связанные с подводящим и отводящим патрубками, трубы установлены в трубных стенках, при этом в трубных стенках с внешней стороны выполнены внутренние каналы, связывающие, по крайней мере, одну пару труб между собой, а также сквозное отверстие, совпадающее с отверстием соответствующего патрубка.
Остальные конструктивные признаки теплообменника по варианту 3 совпадают с признаками теплообменника по варианту 1.
Форма и размеры каналов в трубной стенке выбираются исходя из условия равенства сечения канала по всему пути следования теплообменной среды. Трубная стенка может быть выполнена из металла, сплава или неметаллического материала.
Кроме того, трубы могут быть выполнены оребренными, в каждом из ходов теплообменника может быть использовано более одной теплообменной трубы, а количество теплообменных труб в разных ходах теплообменника может отличаться.
Теплообменник в собранном виде работает следующим образом:
В процессе работы теплообменника происходит непрерывный теплообмен между первой теплообменной средой, протекающей внутри теплообменных труб 3, и второй, движущейся в их межреберном пространстве.
Первая теплообменная среда поступает во входной патрубок 6, протекает через отверстие в герметизирующей прокладке 12, отверстие в матрице 10, отверстие в герметизирующей прокладке 13, поступает в теплообменную трубу 3, далее через соединяющий с другой теплообменной трубой канал, образованный отверстием в матрице 11, ограниченный с двух других противоположных сторон трубной стенкой 2 и крышкой 5, далее процесс повторяется до выходного патрубка 7. Вторая теплообменная среда поступает в межреберное пространство теплообменных труб по каналу, образованному трубными стенками 1 и 2, рамами 8 и 9, в поперечном направлении к теплообменным трубам, навстречу направлению движения первого теплоносителя.
При необходимости конструкция разбирается, трубы, поскольку они выполнены прямолинейными, легко чистятся. Открытые каналы в матрице (варианты 1 и 3) также легко очищаются. В варианте 2 каналы в матрице закрыты, но благодаря незначительной толщине матрице, они тоже доступны для чистки.
На внутренние поверхности труб и матриц наносится новое или восстанавливается существовавшее ранее защитное покрытие от коррозии.
При необходимости матрица может быть заменена на другую.
После этого производят сборку теплообменника.