Вихревой теплообменный аппарат
VORTEX HEAT EXCHANGER

Изобретение относится к теплотехнике, а в частности к теплообменным аппаратам с рекуперативной передачей тепла, и может быть использовано в химической, пищевой и смежных отраслях промышленности. Наиболее эффективное использование данного устройства возможно при умеренныхи малых расходах теплоносителей.
Известен«Вихревой теплообменный аппарат для конденсации и охлаждения газов» [1], включающий в себя корпус, технологические патрубки для ввода и вывода охлаждаемого газа и охлаждающей жидкости, патрубок для отвода конденсата, отличающийся тем, что внутри корпуса расположены винтовые ребра, на которых происходит образование конденсата. В известном аппарате патрубок ввода охлаждаемого газа расположен тангенциально к корпусу. Недостатками данного аппарата являются сложность изготовления и возможность применения лишь для процесса конденсации пара.
Также известен «Теплообменник» [2], который содержит корпус с патрубками подвода и отвода рабочих сред и каналы для теплоносителей, образованные ребрами, примыкающими к оболочке корпуса.Согласно [2], корпус выполнен в виде цилиндрической оболочки, в который заключена теплообменная поверхность в виде двухзаходного винтового шнека с образованием двух винтовых каналов одинакового сечения, разделенных стенкой, являющейся ребром шнека Подвод и отвод теплоносителей осуществляется посредством коллекторов, в которых установлены перегородки для разделения потоков теплоносителей. Два винтовых каналане требуют разделения при подводе теплоносителей на «чистый» и «грязный» в силу их идентичности.
Применение винтовых каналов позволяет улучшить показатели теплообмена. Однако, данная конструкция имеет ряд недостатков:
- во-первых изготовление устройства в разборном варианте невозможно, отсюда сложность механической очистки поверхности теплообмена;
- во-вторых устройствосложно в изготовлении. Ребра шнека должны быть герметично приварены как к поверхности трубы шнека, так и к внутренней поверхности цилиндрического корпуса. Качественная приварка ребер к трубе возможна, а вот приварка ребра спиральным сварочным швом изнутри корпуса крайне сложна, требует точной подгонки свариваемых элементов, возможна лишь для устройства значительных размеров.
- в-третьих, по трубе шнека теплоносители не проходят, а значит центральная часть аппарата в процессе теплообмена не участвует.
- в-четвертых, для интенсификации теплообмена скорость течения теплоносителей в винтовых каналах может быть увеличена исключительно увеличением расхода теплоносителей.
Из работы [3] известен «Вихревой теплообменный аппарат», содержащий две смежные соосные вихревые камеры, образованныетремя плоскими дисками,из которых крайниедиски являются крышками, а средний диск -поверхностью теплообмена, двумя цилиндрическими кольцами, зажатыми между дисками, входные и выходныепатрубки, расположенные тангенциально на цилиндрических кольцах и в центре обеих крышек.
Диаметр обеих вихревых камеродинаковый. Камера первого теплоносителя имеет тангенциальный входной патрубоки выходной патрубокв центре плоской крышки. Камера второготеплоносителя имеет центральный входной патрубоки выходной тангенциальный патрубокна периферии. Между плоскими крышками-дисками с центральными патрубками, при помощи шпилек, зажаты: цилиндрическое кольцо с тангенциальным патрубком, теплообменный диск и еще одно цилиндрическое кольцо с тангенциальным патрубком. Герметичность сборки обеспечивается прокладками в виде кольца.Аппарат выполнен из стали или другого металла. Аппарат имеет простую разборную конструкцию.
Известный вихревой теплообменный аппарат работает следующим образом. Первый теплоноситель подается в тангенциальный патрубок первой вихревой камеры, совершает вращательно-поступательное движение внутри камеры и покидает её через центральныйпатрубок. Движение теплоносителя внутри камеры сопровождается вихреобразованием и турбулизацией потока, что позволяет улучшить показатели теплообмена. Второй теплоноситель подается во вторую камеру через центральный патрубок. Он совершает вращательное движение внутри камеры и покидает её через тангенциальный штуцер. Таким образом, при указанной подаче теплоносителей в пределах теплообменного диска создаются условия близкие к противотоку.
Данное устройство является наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототип).
Известный вихревой теплообменный аппарат (прототип) характеризуется повышенным гидравлическим сопротивлением, что обусловлено структурой потока внутри вихревой камеры. При увеличении нагрузки по теплоносителю происходит повышение гидравлического сопротивлении,одновременно повышается давление в вихревой камере. Гидравлическое сопротивление вихревой камеры во многом определяется условиямипрохождения зоны, примыкающей к ценральному патрубку и условиями в нём самом. За счёт повышения давления в вихревой камеревозможна деформациясреднего диска в сторону камеры, где давление ниже. Это касается диска малой толщины. Деформация диска может привести к нарушению герметичности аппарата в местах установки прокладок. Таким образом, нарушается требование надежности работы аппарата. Известно, что плоские элементы для работы под давлением должны иметь повышенную толщину. Применение же теплообменного диска повышенной толщины приведет к росту металлоемкости аппарата, а также к росту его термического сопротивления, что негативно скажется на всех показателях аппарата.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение заключаются вснижении гидравлического сопротивления аппарата и повышение его надёжности.
Техническим результатом является снижение гидравлического сопротивления аппарата и повышение прочности конструкции аппарата.
Поставленная задача решается за счет того, что в вихревом теплообменном аппарате, содержащем две смежные соосные вихревые камеры, образованныетремя плоскими дисками,из которых крайние диски являются крышками, а средний диск -поверхностью теплообмена, двумя цилиндрическими кольцами, зажатыми между дисками, входные и выходныепатрубки, расположенные тангенциально на цилиндрических кольцах и в центре обеих крышек, вихревые камеры в центрев месте размещения патрубков дополнительно снабжены лопатками, конусами, а сами патрубкиснабженыупорами.
О
Высота лопатокравна высоте вихревых камер. Лопатки установлены перпендикулярно к плоскости среднего диска.Сумма длин всех лопаток в вихревой камере составляет от 0,5 до 1,5длины окружности,на которой установлены лопатки. Лопатки развернуты от касательной к этой окружности, в направлении от центра к перифериина уголот 0 до 30. Междулопатками, на среднем диске в камерах закреплены конуса, вершины которых направлены к патрубкам в центре крышек и соосны им,
причём эти патрубки внутриснабжены упорами, которые винтами соединены с конусами на среднем диске.
Предпочтительно, чтобы в вихревомтеплообменном аппарате,отношение диаметра вихревойкамеры к её высоте находилось в пределах от 8 до 20.
Предпочтительно, чтобы ,диаметр окружности,на которой установлены лопатки составлял от 1 до 3 диаметров патрубка в центре крышки.
Предпочтительно, чтобы число лопаток в камере,составляло от 3 до 9 и чтобы лопатки были размещены по окружности равномерно.
О
Предпочтительно, чтобы углы при вершинах конусов составляли от 60 до 120 .
Предпочтительно, чтобы лопатки были закреплены на крышкахв месте размещения патрубков, аоснования конусов были закреплены на среднемдиске, при этом вершины конусов направлены к патрубкам в центре крышек и соосны им. При таком креплениилопаток облегчается сборка аппарата благодаря взаимодействию конуса и лопаток (облегчается центровка).
Достигаемый технический результат заключается в оптимальном соотношенииснижения гидравлического сопротивления аппарата иповышении прочностиконструкции, в способности сопротивляться деформациям под действием давлений в вихревых камерах. Всё это достигается использованием одних и тех же конструктивных элементов.
Использование лопаток, конусов и упоровулучшает структуру потока в вихревой камере, что и проявляется в снижении давления в камере при том же расходе. С другой стороны, лопатки, конуса и соединение всех трёх дисков между собой центральной связью (упоры, винты, конуса на среднем диске) дает возможность конструкции успешно противостоять деформациям и перемещениям в уплотнении, обеспечивая тем самым его надёжность.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 показан общий вид аппарата в разрезе.
На фиг.2- вид сверху.
На фиг.3- поперечный разрез по А-А на фиг.1.
На фиг.4 - поперечный разрез по В-В на фиг.1
На фиг- 5 выносной элементБ на фиг.1
На фиг.6- вид аппарата в изометрии.
Вихревой теплообменный аппарат(фиг.1) имеет разборную конструкцию. Он содержит две смежные соосные вихревые камеры 1 и 2. Камеры образованнытремя плоскими дисками,из которых крайниедиски 3 и 4 являются крышками, а средний диск 5 -поверхностью теплообмена и двумя цилиндрическими кольцами 6 и7 с тангенциальными патрубками 8 и 9. Крышки 3 и 4 в центре снабжены патрубками 10 и 11. Патрубки предназначены для входа и выхода теплоносителей.Для герметичности вихревых камер использованыпрокладки 12 (например из паронита или резины). Цилиндрические кольца 6,7 и средний диск 5 зажаты между крышками 3 и 4 при помощи шпилек13.
О
Вихревые камеры в центрев месте размещения патрубков10 и 11снабжены лопатками 14, конусами 15, а патрубки 10 и 11 внутри снабженыупорами 16. Высота лопаток 14равна высоте вихревых камер и ониустановлены перпендикулярно к плоскости среднего диска 5. Сумма длин всех лопаток 14 в вихревой камере составляет от 0,5 до 1,5длины окружности,на которой лопатки установлены. Лопатки 14развернуты от касательной к указаннойокружности, в направлении от центра камерына уголот 0 до 30.Междулопатками 14, на среднем диске 5в камерах 1 и 2 закреплены конуса 15, вершины которых направлены к патрубкам 10 и 11 в центре крышек 3 и 4 и соосны им.
Отношение диаметра вихревойкамеры к её высоте должно преимущественнонаходиться в пределах от 8 до 20.
Диаметр окружности,на которой установлены лопатки 14 должен преимущественно составлять от 1до 3 диаметров выходного патрубка.
Число лопаток 14 в камере,должно преимущественносоставлять от 3 до 9 и лопаткиразмещаютсяпо окружности равномерно.
О
Углы при вершинах конусов 15 должны преимущественносоставлятьот 60 до 120.
Лопатки 14 должны быть преимущественно закреплены на крышках 3 и 4в месте размещения патрубков 10 и 11, аоснования конусов 15 должны быть закреплены на среднемдиске 5, при этом вершины конусов направлены к патрубкам10,11в центре крышек 3,4 и соосны им.
Патрубки крышек 3,4 (см. фиг.5) внутридолжны быть снабжены упо-рами 16, которые винтами 17 соединены с конусами15на среднем диске 5.
α
K
Вихревой теплообменный аппарат работает следующим образом. Первый (горячий) теплоноситель подается в тангенциальный патрубок8 вихревой камеры 1, он совершает вращательно-поступательное движение внутри камеры, взаимодействует с лопатками 14 и конусом 15 навходе в патрубок 10и супором 16 в самом патрубке 10и покидает камеру через него. Движение теплоносителя внутри камеры сопровождается вихреобразованием и турбулизацией потока, что существенно интенсифицирует теплообмен. Наличие внутренних устройств у центрального патрубка ведет к улучшению структуры потока у патрубка 10.Второй (холодный) теплоноситель подается в камеру 2 через патрубок 9. Он совершает сложное вращательно-поступательноедвижение в камере 2 и покидает её, пройдя через лопатки, огибая упорчерез патрубок 11. Вращение теплоносителей в камерах 1 и 2 происходит во встречном направлени:в нижней камере 1 - против часовой стрелки, а в верхней камере 2 -по часовой стрелке. Скорость вращения теплоносителя в камере определяет интенсивность теплоотдачи. Для её повышения не обязательно увеличивать расход теплоносителя, скорость вращения может быть увеличена за счётподъёма скорости во входном патрубке. Этого можно добиться уменьшая проходное сечение входного патрубка. Интенсификация теплооотдачи в обеих камерах ведет к росту общего коэффициента теплопередачи ваппарате,т.е. к интенсификации работы теплообменного аппарата.
Таким образом, при указанномдвижении теплоносителей внутриаппарата создаются условия отвечающие интенсивному теплообмену. При этом, обеспечивается снижение сопротивления аппарата и повышается его надёжность.
Для изучения влияния лопаток, конусов, упорову выходного патрубкана гидравлическое сопротивление аппарата были поставлены опыты.
Опыты проводили на стенде, который включал опытный аппарат, бак с водой, центробежный насос, ротаметр. Давление на входе в аппаратизмеряли образцовым манометром, и оно соответствовало его гидравлическому сопротивлению (∆Р). Схема стенда обеспечивала циркуляцию воды.
Опытныйаппарат (см.фиг.1)состоялиз двух вихревых камер, разделенных теплообменным диском. Диаметр обеих камер равен D=405 мм при ширине камер В = 28 мм. Аппарат изготовлен из стали, имеет разборную конструкцию. Все элементы аппарата соединены шпильками М8. Опытный аппаратразмещали так, чтобы теплообменныйдиск был горизонтален.Гидравлическое сопротивление ∆Р измеряли в нижней камере с входным тангенциальнымпатрубком и выходным патрубком в центре плоской нижней крышки. Верхняякамера имела аналогичную конструкцию.
В серии 1 опытов изучали сопротивление вихревой камеры аппарата безвнутренних устройств.
В серии 2 опытов изучали сопротивление вихревой камеры аппарата, снабжённого внутренними устройствами(лопатки, конуса, упоры).
3
О
Былипроведены опыты на воде, в ходе которых расход меняли от 0,93 до 2,48 м/ч. Температура водыв опытах составляла около 20С. Результаты опытов приведены в таблице 1.
Таблица 1. Гидравлическое сопротивление камеры вихревого теплообменного аппарата ∆Р, Па
Расход воды, V, м<sup>3</sup>/ч
0,93
1,243
1,563
1,90
2,21
2,48
Скорость во входном патрубке,<img file="00000001.jpg" he="19" wi="10" img-content="undefined" img-format="jpg" />
1,95
2,60
3,27
3,97
4,63
5,18
Скорость в выходном патрубке,<img file="00000001.jpg" he="19" wi="10" img-content="undefined" img-format="jpg" /><img file="00000001.jpg" he="19" wi="10" img-content="undefined" img-format="jpg" />
1,016
1,357
1,706
2,073
2,413
2,703
<img file="00000002.jpg" he="4" wi="20" img-content="undefined" img-format="jpg" />
7200
15400
27000
43500
65000
92100
<img file="00000003.jpg" he="4" wi="20" img-content="undefined" img-format="jpg" />
4800
8700
15500
24600
35800
49500
Отношение:
<img file="00000004.jpg" he="9" wi="20" img-content="undefined" img-format="jpg" />
1,5
1,77
1,74
1,77
1,82
1,86
Из таблицы 1 видно, что применение в вихревой камере описанных внутренних устройств позволяет существенно снизитьгидравлическое сопротивлениевихревого теплообменного аппарата. Таким образом, затраты энергии на транспортировку теплоносителей при одинаковом их расходе могут быть сокращены в 1,5-1,8 раза, при одновременном повышении надёжности аппарата. Опыты по теплообмену также подтвердили эффективность аппарата.
Список использованных источников
1. Полезная модель к патенту РФ 91755 U1, МПК F28D 7/16ВИХРЕВОЙ ТЕПЛООБМЕННЫЙ АППАРАТ ДЛЯ КОНДЕНСАЦИИ ГАЗОВ/ Калимуллин И.Р., Гафиятов И.З., Дмитриев А.В., Николаев А.Н..- опубл. 27.02.2010, Бюл № 06.
2. Патент РФ 2269080, МПК F28D7/10, Теплообменник/ Лядухин В.И, Болдов В.Ю.- опубл. 27.01.2006, Бюл № 03.
3. Попов А.С., Косырев В.М.РАЗРАБОТКА СТЕНДА ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ВИХРЕВОГО ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТАВ сборнике «Наука. Технология. Производство-2014: тезисы докладов Международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых» / редкол.: Евдокимова Н.Г. и др. - Уфа: РИЦ УГНТУ, 2014. - 98 с. ISBN 978-5-7831-1181-5 С.36-37. -