Аппарат воздушного охлаждения
AIR COOLING DEVICE

Изобретение относится к аппаратам воздушного охлаждения для проведения теплообменных процессов между теплоносителем и воздухом с использованием подвижных каналов (вращающихся труб) и может быть использовано в газовой, химической и нефтеперерабатывающей промышленности.
В патенте РФ на изобретение №2266494 описан аппарат воздушного охлаждения, содержащий вентиляторы для подачи внешней охлаждающей среды, преимущественно воздуха, в корпус аппарата и, по крайней мере, две теплообменные секции с камерами входа и выхода охлаждаемого газа. Одноходовые оребренные теплообменные трубы, расположенные в секции рядами по ее высоте и образующие пучок, заделаны в трубные доски. Каждая камера входа и камера выхода имеют от двух до семи патрубков для присоединения к коллектору подвода или отвода газа, которые сообщены с газопроводом. Суммарная площадь поперечного сечения группы теплообменных труб пучка, сообщенных по потоку охлаждаемого газа преимущественно с ближайшим к ним подающим патрубком, в 1,2-1,7 раза превышает площадь поперечного сечения этого патрубка в зоне примыкания последнего к камере входа газа в теплообменную секцию аппарата.
Общими признаками с предлагаемой конструкцией теплообменника является наличие трубного пучка, наличие трубной решетки, а также охлаждение горячего теплоносителя воздухом.
Недостатком данного изобретения является наличие вентилятора, предназначенного для подачи воздуха в аппарат, который потребляет большое количество электроэнергии, недостаточно высокая интенсивность теплообмена, а также высокая материалоемкость.
Аппарат воздушного охлаждения, описанный в патенте РФ на изобретение №2617668, снабжен горизонтально расположенными теплообменными секциями, трубными досками с отверстиями, камерами подвода и отвода теплоносителя, осевым вентилятором с электроприводом, диффузором. Отличительной особенностью конструкции является наличие в диффузоре трех дефлекторов двух типов: S-образного дефлектора для центра теплообменника и двух лопастных дефлекторов для периферийной части теплообменника.
Общими признаками с предлагаемой конструкцией аппарата воздушного охлаждения является наличие трубного пучка, диффузора, камер подвода и отвода теплоносителя, а также охлаждение теплоносителя при помощи воздуха.
Недостаток аналогичен предыдущему аналогу.
В патенте РФ на изобретение №2518708 описан аппарат воздушного охлаждения, в котором охлаждаемый газ подается в теплообменные трубы теплообменной секции. Дополнительно охлажденный теплоноситель второго контура (топливный газ и т.п.) поступает во внутренние трубы, расположенные в полости теплообменных труб. За счет теплообмена охлаждаемого газа с теплоносителем второго контура происходит дополнительное охлаждение газа после компрессорной станции и нагрев теплоносителя второго контура. Технический результат - повышение тепловой эффективности за счет снижения энергопотребления.
Общими признаками с предлагаемой конструкцией аппарата воздушного охлаждения является наличие трубного пучка, камер подвода и отвода теплоносителя, а также охлаждение теплоносителя при помощи воздуха.
Недостаток аналогичен предыдущему аналогу.
Наиболее близким по конструкции (прототип) является теплообменник, описанный в патенте РФ №2645861 «Теплообменник типа «труба в трубе» с вращающейся трубой», который состоит из двух концентрических труб: внутренней трубы и внешней трубы, радиальной турбины, осевой турбины, турбулизатора в виде спиральной ленты, двух подшипников, уплотнений и патрубков для входа и выхода высокоскоростного теплоносителя. Радиальная турбина устанавливается на внутренней трубе и крепится на ней с натягом. Радиальная турбина располагается напротив патрубка для входа высокоскоростного теплоносителя. Во внутреннюю трубу устанавливается с натягом осевая турбина.
Общими признаками с предлагаемой конструкцией теплообменника являются наличие труб, спиральной ленты, подшипников, уплотнений и способность труб совершать вращательное движение.
Недостатком данного изобретения является низкая интенсивность теплообмена.
Задачей изобретения является создание нового высокоэффективного аппарата воздушного охлаждения для проведения теплообменных процессов между горячим теплоносителем и воздухом.
Технический результат изобретения заключается в:
- увеличении интенсивности процессов теплообмена;
- снижении материалоемкости;
- снижении затрат электроэнергии.
Устранение указанных недостатков и достижение заявляемого технического результата от реализации нового аппарата воздушного охлаждения, достигается за счет того, что внутри кожуха установлен на подшипниках шахматный пучок труб, к внутренней стенке каждой трубы жестко крепится спиральная лента, которая обеспечивает завихрение горячего теплоносителя и вращение каждой трубы за счет энергии горячего теплоносителя, а перемещение воздуха по межтрубному пространству и перемешивание воздуха обеспечивается с помощью лопастных крыльчаток с внешними кольцами, жестко закрепленных на внешней стенке каждой вращающейся трубы на одинаковом расстоянии между собой, при этом лопастные крыльчатки на каждой трубе располагаются со смещением по отношению к крыльчаткам на трубах соседних горизонтальных рядов, при этом горячий теплоноситель приводит спиральную ленту, расположенную в каждой трубе, вместе с трубой, во вращение, при этом вместе с трубой вращаются лопастные крыльчатки с внешними кольцами, что позволяет транспортировать воздух через межтрубное пространство аппарата, повысить турбулентность горячего теплоносителя и воздуха и интенсивность теплопередачи между потоком горячего теплоносителя и потоком воздуха, отказаться от использования вентилятора и снизить затраты электроэнергии, повысить частоту вращения труб, и, как следствие, снизить требуемый объем аппарата, а также снизить материалоемкость аппарата.
Общими признаками с прототипом являются наличие кожуха, труб, патрубков для входа и выхода горячего теплоносителя, турбулизатора в виде спиральной ленты, лопастных элементов на трубах, подшипников.
Отличительной особенностью заявляемого изобретения является расположение спиральной ленты внутри вращающихся внутренних труб, образующих шахматный пучок, размещенный в кожухе, и наличие лопастных крыльчаток с внешними кольцами, жестко закрепленных на внешней стенке каждой вращающейся трубы на одинаковом расстоянии между собой, при этом лопастные крыльчатки на каждой трубе располагаются со смещением по отношению к крыльчаткам на трубах соседних горизонтальных рядов, а также жесткое соединение с кожухом конфузора и диффузора, подшипники, располагающиеся в трубных решетках. При этом поступающий в трубы поток горячего теплоносителя вращает спиральную ленту в каждой трубе и каждую трубу, при этом вместе с трубами вращаются лопастные крыльчатки с внешними кольцами, при этом лопастные крыльчатки с внешними кольцами перемещают воздух в межтрубном пространстве аппарата. Спиральные ленты в трубах и лопастные крыльчатки с внешними кольцами играют также роль оребрения и способствуют увеличению площади теплообмена и интенсивности теплопередачи. Спиральные ленты играют также роль завихрителей потока горячего теплоносителя, при прохождении через которые горячий теплоноситель приобретает вращательное направление движения. Лопастные крыльчатки с внешними кольцами играют также роль завихрителя потока воздуха. Вращение труб вызывает образование турбулентности как в горячем теплоносителе, проходящем по трубам, так и в воздухе, проходящем в межтрубном пространстве, что приводит к интенсификации переноса теплоты через стенку трубы от горячего теплоносителя к воздуху. Подшипники закрытого типа располагаются на трубах в отверстиях трубных решеток. Герметичность места соединения вращающихся труб с трубной решеткой обеспечивается подшипниками закрытого типа. Таким образом, кинетическая энергия горячего теплоносителя используется для вращения спиральных лент, а также труб с прикрепленными к ним снаружи лопастными крыльчатками с внешними кольцами, турбулизации потоков в трубах и в межтрубном пространстве, что позволяет увеличить интенсивность процессов теплообмена, снизить затраты металла на изготовление аппарата, при этом снижаются затраты электроэнергии за счет отказа от использования вентилятора.
Сущность предлагаемого аппарата воздушного охлаждения поясняется чертежами (фиг. 1-3). Перечень фигур:
Фиг. 1. Общий вид аппарата воздушного охлаждения.
Фиг. 2. Общий вид лопастной крыльчатки с внешним кольцом.
Фиг. 3. Поперечное сечение А-А пучка труб.
Фиг. 4. Общий вид спиральной ленты.
На фиг. 1 приведен общий вид заявляемого аппарата воздушного охлаждения. На фиг. 2 приведен общий вид лопастной крыльчатки с внешним кольцом. На фиг. 3 приведено поперечное сечение А-А пучка труб. На фиг. 4 приведен общий вид спиральной ленты.
Заявляемый аппарат воздушного охлаждения (фиг. 1-4) состоит из кожуха (1) (фиг. 1), теплообменных труб (2), размещенных внутри кожуха (1) в виде шахматного пучка (фиг. 3), спиральной ленты (3) (фиг. 4), лопастных крыльчаток с внешним кольцом (4) (фиг. 2), подшипников закрытого типа (5), конфузора для входа воздуха (6), диффузора для выхода воздуха (7), трубной решетки (8), патрубка для входа горячего теплоносителя (9), патрубка для выхода горячего теплоносителя (10). Спиральная лента (3) устанавливается во внутреннюю трубу (2) и жестко крепится внутри нее. Лопастные крыльчатки с внешними кольцами (4) жестко насаживаются на трубы (2) с одинаковым расстоянием между собой, при этом крыльчатки на каждой трубе располагаются со смещением по отношению к крыльчаткам на трубах соседних горизонтальных рядов так, чтобы лопастные крыльчатки на соседних горизонтальных рядах при вращении не касались друг друга. Внешнее кольцо на лопастной крыльчатке (4) придает потоку воздуха направление вдоль оси трубы (2). Внутренние трубы (2) лежат на подшипниках закрытого типа (5). Подшипники закрытого типа (5) располагаются в трубных решетках (8). Герметичность места соединения вращающихся внутренних труб (2) с неподвижной трубной решеткой (8) обеспечивается подшипниками закрытого типа (5) (фиг.1).
Предлагаемый аппарат воздушного охлаждения, предназначенный для охлаждения горячего теплоносителя воздухом, работает следующим образом. Горячий теплоноситель через неподвижный входной патрубок (9) поступает через трубную решетку (8) в трубы (2), содержащие спиральные ленты (3). Поток горячего теплоносителя взаимодействует с каждой спиральной лентой (3), приводит ее во вращение вместе с трубой (2), установленной на подшипниках закрытого типа (5) (фиг.1). Каждая внутренняя труба (2) и спиральная лента (3), жестко прикрепленная к ней, вращаются как одно целое, с одинаковой частотой и направлением вращения. Спиральная лента (3), прикрепленная жестко к стенкам трубы (2), турбулизирует поток горячего теплоносителя, что приводит к увеличению интенсивности теплопередачи.
Вместе с трубой (2) вращаются лопастные крыльчатки с внешними кольцами (4) (фиг.2), насаженные жестко на трубу (2). Они перемещают воздух в межтрубном пространстве вдоль труб. Внешнее кольцо на лопастной крыльчатке (4) придает потоку воздуха направление вдоль оси трубы (2). При этом лопастные крыльчатки (4) перемешивают воздух в межтрубном пространстве. Лопастные крыльчатки с внешними кольцами (4) играют также роль оребрения, что увеличивает площадь теплообмена. Кинетическая энергия горячего теплоносителя используется для вращения спиральной ленты (3) и трубы (2) с лопастными крыльчатками с внешними кольцами (4), турбулизации потоков теплоносителей, что позволяет интенсифицировать процесс теплопередачи. Теплопередача между горячим теплоносителем и воздухом происходит через стенку внутренней трубы (2). Горячий теплоноситель выходит из трубного пространства через неподвижный выходной патрубок (10). Воздух поступает в межтрубное пространство через неподвижный конфузор (6), проходит по межтрубному пространству и выходит через неподвижный диффузор (7). Подшипники закрытого типа (5) служат опорами для труб (2) и предназначены также для герметизации мест соединения труб (2) и неподвижных трубных решеток (8). Таким образом, кинетическая энергия горячего теплоносителя используется для вращения труб (2) с лопастными крыльчатками с кольцами (4) при помощи спиральных лент (3), для турбулизации потоков в межтрубном пространстве и в трубах (2), что позволяет интенсифицировать теплопередачу, снизить материалоемкость аппарата и отказаться от использования вентилятора и электроэнергии для подачи воздуха.
ЛИТЕРАТУРА
1. Патент РФ на изобретение №2266494. Аппарат воздушного охлаждения газа. Овчар В.Г., Даниленко В.Г., Белоусов В.П., Берестов В.А., Терехов В.М., Шляхов СБ. Опубл.: 20.12.2005.
2. Патент РФ на изобретение №2617668. Аппарат воздушного охлаждения газа. Зарипов Ю.М., Наумов A.M., Шишкин Е.С., Черный А.П. Опубл. 27.04.2017.
3. Патент РФ на изобретение №2518708. Аппарат воздушного охлаждения газа. Корнеев СИ., Шурухин И.Н., Шабанов К.Ю., Позднякова М.Н. Опубл. 10.06.2014.
4. Патент РФ на изобретение №2645861. Теплообменник типа «труба в трубе» с вращающейся трубой. Бальчугов А.В., Кустов Б.О., Бадеников А.В., Кузнецов К.А., Кузора И.Е. Приоритет изобретения от 26 апреля 2017 г.