КОЖУХОТРУБНЫЙ ТЕПЛООБМЕННЫЙ АППАРАТ С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМ СЕКТОРОМ
SHELL-AND-TUBE HEAT EXCHANGER WITH ADDITIONAL SECTOR

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 э3ффективности теплообмена с одновременным уменьшением их габаритов и снижением массы, а так же возможность его использования в разных климатических зонах.
Известен патент (RU 2006780, F28D 7/00, опубл. 30.01.1994) - трубчатый теплообменник, в котором пучок каналов (труб) для прохождения первой среды составлен из труб большего и меньшего диаметров, располагающихся равномерно по чередующимся плоскостям так, что (в сечении) трубы одного диаметра располагаются в шахматном порядке относительно труб другого диаметра. Трубы закреплены концами в трубных досках, к которым снаружи примыкают полости для входа и выхода первой среды. В такой конструкции увеличивается теплообменная поверхность и, соответственно, эффективность теплоотдачи и возникает возможность уменьшения габаритов теплообменника. Такой теплообменник может использоваться как единичный модуль для создания теплообменника большей мощности.
Недостатком такого решения является отсутствие возможности механической чистки теплообменника от пыли и других примесей, которые при работе в системе вентиляции жилых или служебных помещений постепенно накапливаются на поверхности теплообменника и снижают его эффективность.
Известен кожухотрубный теплообменник, включающий полый цилиндрический замкнутый корпус, к торцам (концам) которого примыкают полости для входа и выхода первой среды (патент RU 2391613, F28D 7/00, F28F 1/10, опубл. 10.06.2010). Внутри корпуса в шахматном порядке расположен пучок теплообменных труб (каналов) для прохождения первой среды, закрепленных в трубных досках, которые являются торцами замкнутого корпуса. Трубы имеют переменный продольный профиль, состоящий из прямых и выступающих участков, причем выступы профиля одной трубы расположены между выступами профиля смежных труб. Взаимное расположение труб определяется в зависимости от размеров профиля по заданной формуле. На боковой цилиндрической поверхности корпуса около его торцов расположены отверстия для входа и выхода второй среды. Выбранные конфигурация профиля труб и их взаимное расположение создают условия турбулизации потоков сред, обеспечивающие достижение цели - повышение эффективности теплоотдачи и достижение оптимальной интенсификации теплообмена. Теплообменник такой конструкции может служить единичным модулем для создания теплообменника большей мощности.
Недостатки данного решения является, что при работе в среде с низкой температурой (ниже - 10°С) воздушного потока, на выходе теплого воздуха из теплообменника образуется обледенение, которое приводит к увеличению аэродинамического сопротивления и вероятности образования частичного или полного закупоривания зоны выхода воздуха из теплообменника, что ограничивает использование теплообменников в холодное время года.
Наиболее близким к заявленному изобретению является кожухотрубный теплообменник (SU №1763842, кл. F28D 7/16, F28F 1/06, опубл. 1992), содержащий шахматный пучок теплообменных труб с периодически повторяющимся по длине диффузорно-конфузорным профилем, имеющих угол раскрытия диффузора и конфузора 6-10°, степень сужения сечения 0,6-0,8, образующих в межтрубном пространстве продольные криволинейные периодически расширяющиеся и сужающиеся каналы, при этом теплообменные трубы в пучке размещены со смещением между собой на половину периода профиля диффузор-конфузор, а относительный поперечный шаг труб составляет 1,10-1,16 максимального диаметра трубы.
Недостаток аналогичен предыдущему патенту, при работе теплообменника в среде с низкой температурой (ниже - 10°С) воздушного потока, на выходе теплого воздуха образуется обледенение, которое приводит к увеличению аэродинамического сопротивления и вероятности образования частичного или полного закупоривания зоны выхода воздуха из теплообменника, что ограничивает использование теплообменников в холодное время года.
Задача, решаемая предлагаемым изобретением - кожухотрубный теплообменный аппарат сможет работать в широком диапазоне температур, в том числе отрицательных.
Технический эффект, обеспечивающий решение задачи, заключается в обеспечении работы кожухотрубного теплообменного аппарата при отрицательных температурах вследствие использования дополнительного сектора, который осуществляет подогрев холодного воздуха первой среды (уличного воздуха), до температуры при которой содержащийся во второй среде пар не достигает точки насыщения, то есть, сдвигает точку росы из межтрубного пространства второй среды в область холодного сухого воздуха первой среды, тем самым не позволяя образовываться обледенению на выходе второй среды из кожухотрубного теплообменного аппарата.
Указанный результат достигается тем, что в кожухотрубном теплообменном аппарате, состоящем из цилиндрического корпуса, с отверстиями для входов и выходов воздушных сред, содержащего пучок прямолинейных теплообменных труб, ограниченных торцевыми концевыми пластинами с отверстиями для прохождения первой среды по расположенному внутри труб пространству и имеющий в боковой стенке вблизи торцевых концевых пластин отверстия для входа и выхода второй среды проходящей по межтрубному пространств, для предварительного подогрева воздушной среды в начале кожухотрубного теплообменного аппарата отделен сектор с помощью разделяющей пластины, когда возникает необходимость подогрева воздуха, включается дополнительный вентилятор, который забирает теплый воздух второй среды и прогоняет его межтрубному пространству перекрестным движением, то есть в перпендикулярном направлении относительно первой среды, и возвращает воздух второй среды обратно в помещение. Это необходимо сделать для того чтобы холодный воздух первой среды подогрелся и содержащийся во второй среде пар не достиг точки насыщения, то есть, сдвинуть точку росы из межтрубного пространства второй среды в область холодного сухого воздуха первой среды.
Кожухотрубный 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 кожухотрубный теплообменный аппарат с дополнительным сектором, а также описанием процесса его работы.
На фиг. 1 показан кожухотрубный теплообменный аппарат с дополнительным сектором.
На фигуре позициями обозначены:
1 - цилиндрический корпус,
2 - торцевые концевые пластины с отверстиями,
3 - трубы для прохождения первой среды,
4 - межтрубное пространство для прохождения второй среды,
5, 6 - отверстия в стенке корпуса 1 для входа и выхода первой среды,
7, 8 - отверстия в стенке корпуса 1 для входа и выхода второй среды,
9 - разделяющая пластина с отверстиями,
10, 11 - отверстия в стенке корпуса 1 для входа и выхода второй среды из дополнительного сектора.
Направление движения сред показывают объемные стрелки: сплошной линией - движение потоков первой среды; штриховой линией - движение потоков второй среды. Взаимное расположение труб внутри корпуса 1 может быть любым, в нашем случае по сторонам и вершинам квадратов - оптимальный вариант выполнения. Торцевые концевые пластины с отверстиями 2 и разделяющая сектор пластина с отверстиями 9 обеспечивают разделение воздушных потоков.
Сущность заявляемого решения заключается, в том, что в предлагаемой конструкции - в начале кожухотрубного теплообменного аппарата выделен сектор с помощью торцевой концевой и разделяющей пластин.
В процессе рекуперации тепла приточный воздух первой среды нагревается, а удаляемый воздух второй среды охлаждается. При охлаждении влажного воздуха увеличивается относительная влажность до состояния насыщения, после чего начинается интенсивная конденсация избыточной влаги. При дальнейшем охлаждении ниже температуры замерзания имеет место кристаллизация конденсированной влаги. Когда, приточный воздух имеет низкую температуру, накапливаемый внутри теплообменника конденсат замерзает, закрывая частично или полностью межтрубное пространство в отверстии для выхода второй среды из кожухотрубного теплообменного аппарата. В результате расход удаляемого воздуха падает либо прекращается совсем. Вследствие этого, эффективность рекуперации снижается, это выражается в недостаточном предварительном подогреве приточного воздуха. Что компенсируется установкой дополнительного сектора кожухотрубного теплообменного аппарата.
Выполнение модуля монолитным - оптимальный вариант выполнения, поскольку обеспечивается максимально возможная теплопередача между всеми элементами конструкции, в том числе теплообмен между стенками труб и межтрубном пространстве 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 трубами, связанные с технологическим возможностями изготовления и толщин стенок труб. Такие технологии позволяют использовать современные материалы, например композиционные материалы с хорошей теплопроводностью.
Кожухотрубный теплообменный аппарат с дополнительным сектором, представленный на фиг. 1, работает следующим образом. Первая среда (уличный воздух) забирается через отверстие 5, поступает к торцевой концевой пластине 2, для разделения воздушных потоков, проходит в трубы 3, расположенные внутри цилиндрического корпуса 1 и выходит в отверстие в стенке корпуса 6.
Для подогрева первой воздушной среды в начале кожухтрубного теплообменного аппарата выделен сектор, с помощью торцевой концевой пластины 2 и разделяющей пластины 9, когда возникает необходимость предварительного подогрева первой среды (уличного воздуха), включается дополнительный вентилятор, вторая среда (воздух комнаты) забирается через отверстие 10 и прогоняется межтрубному пространству перекрестным движением, то есть в перпендикулярном направлении относительно первой среды. При движении второй среды межтрубному пространству происходит перенос тепла через стенки труб от теплого воздуха, поступающего внутрь корпуса установки с самого помещения, далее воздух выходит в отверстие 11, тем самым достигается максимальная отдача тепла.
Кожухотрубный теплообменный аппарат выполнен одноходовым, в соответствии с фиг. 1. Каналы для прохождения первой среды - трубы, расположенные в полости корпуса по сторонам и вершинам квадратов.
2
Конкретные размеры конструкции были рассчитаны исходя из заданных условий эксплуатации. В результате за счет увеличения эффективности теплообмена между средами в выбранной конструкции заданные условия выполняются кожухотрубным теплообменным аппаратом. Кожухотрубный теплообменный аппарат имеет размеры 315×260 мм с площадью теплообменной поверхности 8,6 м и массой 22 кг.
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 2006780, F28D 7/00 Теплообменные аппараты с неподвижными трубчатыми каналами для двух теплоносителей, причем оба теплоносителя контактируют с разделяющими стенками канала опубл. 30.01.1994 Авторы: Евенко В.И., Анисин А.К., Порошин Б.В., Евенко В.В.
2. Патент RU 2391613 F28D 3/02, F28D 7/00, F28F 1/08, F28F 1/10 Кожухотрубный теплообменник опубл 10.06.2010 Авторы: Наумов А.Л., Мирзоян Г.А., Сотников В.М.
3. Патент SU №1763842, кл. F28D 7/16, F28F 1/06, Кожухотрубный теплообменник опубл. 1992 Ф.В. Васильев, В.Т. Буглаев.
4. Tech_bul92.indd Условия эффективной работы теплообменников [Электронный ресурс] / Режим просмотра: http://www.allbeton.m/upload/iblocky0e4/usloviya-effektivnoy-raboti-plastinchatih-teploobmennikov-urekuperatorovo-v-surovih-klimaticheskih-usloviyah ---obmerzanie.pdf (15.09.2018)