ТЕПЛООБМЕННИК

Полезная модель предназначена для применения в теплообменных аппаратах и может быть использована в энергетической промышленности, в частности в холодильных и криогенных установках.
6
Известна конструкция теплообменника [Пат. 2050525 РФ, МКИ F28D 7/02, опубл. 20.12.1995 г.], содержащая вертикальную обечайку, соосно расположенный в ней сердечник и пучок змеевиковых труб, навитых коаксиальными слоями и в шахматном порядке в смежных слоях, разделенных посредством дистанцирующих прокладок, а между отдельными группами слоев змеевиковых труб расположены дополнительные проставки, причем слои труб в каждой группе имеют одинаковую заходность.
Такая конструкция, за счет шахматного расположения слоев труб, обеспечивает полное поперечное обтекание труб и соответственно интенсивный теплообмен в межтрубном пространстве.
Недостатком такой конструкции является реализация сравнительно менее эффективной схемы течения охлаждающей и охлаждаемой сред (схема - поперечный ток), а также в данной конструкции поверхность сердечника не используется в процессе теплообмена, что в целом уменьшает интенсивность теплообмена.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является змеевиковый теплообменник [Пат. 2402732 РФ, МПК F28D 7/00, F28F 9/013, опубл. 27.10.2010 г.], который имеет множество труб, навитых по спирали в один или несколько концентричных слоев вокруг центральной трубы и образующих пучок труб, и кожух, ограничивающий внешнее пространство вокруг труб, а также содержит, по меньшей мере, один нетеплопередающий упругий элемент, расположенный внутри кожуха теплообменника, радиально вне пучка труб.
Недостатками прототипа являются большие массогабаритные характеристики и относительно невысокая интенсивность теплообмена, за счет реализации сравнительно менее эффективной схемы течения охлаждающей и охлаждаемой сред (схема - поперечный ток), а также за счет того, что в данной конструкции поверхность сердечника не используется в процессе теплообмена. Кроме того, аппаратная реализация конструкции прототипа предполагает необходимость установки дополнительного оборудования - ресивера для сбора жидкой фазы хладагента, что в целом приводит к удорожанию всей установки и увеличению ее массогабаритных размеров.
Техническим результатом данной полезной модели являются повышение интенсивности процесса теплообмена и снижение массогабаритных характеристик теплообменника за счет организации противоточного движения сред, причем одна из которых движется по спирали внутри труб, другая - по спирали между трубами, что позволяет развить высокие скорости течения сред, обеспечить равномерное обтекание труб и исключить застойные зоны, а также за счет использования теплообменной поверхности центральной трубы; организация движения сред в спиральных каналах позволяет развить их высокие скорости течения, что снижает риск появления отложений и в целом увеличивает ресурс и надежность теплообменника; конструкция теплообменника обеспечивает также возможность накапливать сконденсированный хладагент, т.е. выполнять дополнительную функцию -функцию ресивера.
Данный технический результат достигается тем, что центральная труба разделена перегородками на два изолированных друг от друга объема, каждый из которых соединен, по крайней мере, с одним патрубком и с пучком труб, причем каждая из множества труб, образующих трубный пучок, сообщает два изолированных объема между собой, а трубы во всех слоях навиты с одинаковым осевым шагом таким образом, что между витками сформирован, по крайней мере, один спиральный канал.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где
- на Фиг. 1 изображен продольный разрез теплообменник;
- на Фиг. 2 - вид по стрелке А на Фиг. 1.
Теплообменник включает центральную трубу 1, разделенную перегородками 2 на два изолированных объема 3 и 4, один из которых (объем 3) соединен с патрубком 5, другой (объем 4) - с патрубком 6. Вокруг центральной трубы 1 навиты по спирали в несколько концентрических слоев трубы 7, образующие трубные пучки 8.1, 8.2, …8.n, каждый из которых состоит из, по меньшей мере, двух труб, расположенных коаксиально относительно оси центральной трубы. Кроме того, смежные трубы в каждом пучке контактируют друг с другом по образующей, и их оси параллельны друг другу. Трубные пучки 8.1, 8.2, …8.n сообщают между собой объемы 3 и 4. Внешнее пространство, вокруг трубных пучков 8.1, 8.2, …8.n ограничивает кожух 9, соединенный с патрубками 10 и 11. Трубы 7 навиты с одинаковым осевым шагом. Поверхности кожуха 9, центральной трубы 1 и труб 7 образуют спиральные каналы 12.1, 12.2, …12.n в межтрубном пространстве.
Количество n спиральных каналов в теплообменнике определяется числом трубных пучков. Увеличение числа спиральных каналов 12.1, 12.2, …12.n позволяет снизить потери давления в теплообменнике как для среды, движущейся внутри труб 7 трубных пучков, так и для среды, движущейся в спиральных каналах между этими пучками.
Заявляемый теплообменник работает следующим образом. Охлаждающая среда, например вода, подается насосом в патрубок 10, из которого попадает в пространство между центральной трубой 1 и кожухом 9, из которого распределяется по спиральным каналам 12.1, 12.2, …12.n. в межтрубном пространстве и протекает в них, отбирая тепло с поверхностей труб 7 трубных пучков 8.1, 8.2, …8.n и поверхности центральной трубы 1. Затем охлаждающая среда, пройдя межтрубные спиральные каналы, выходит через патрубок 11. При этом, охлаждаемая среда, например газообразный фреон, подается в патрубок 6, пройдя который попадает в объем 4, из которого распределяется по трубам 7 трубных пучков 8.1, 8.2, …8.n. Двигаясь в объеме 4 и внутри спирально завитых труб 7 трубных пучков 8.1, 8.2, …8.n, охлаждаемая среда отдает тепло охлаждающей среде. Затем охлаждаемая среда направляется в объем 3, из которого подается в патрубок 5. В том случае если, охлаждаемая среда - газообразный фреон, в процессе его движения по спиральным каналам внутри труб, происходит процесс конденсации и в объем 3 направляется жидкая фаза фреона. Таким образом, объем 3, в данном случае выполняет функцию сборника жидкого фреона - ресивера. Движение сред организовано таким образом, что каждая из них движется по спирали, при этом схема движения сред - противоток.
Таким образом, данное техническое решение позволяет снизить массогабаритные характеристики и повысить энергетическую эффективность теплообменника и установки в целом, увеличить ресурс и надежность конструкции, а также накапливать сконденсированный хладагент, т.е. выполнять функцию ресивера.