МНОГОПОЛОСТНЫЕ ТРУБКИ ДЛЯ ИСПАРЯЮЩЕГО ТЕПЛООБМЕННИКА С ВОЗДУШНЫМ ОБДУВОМ
MULTI-CAVITY TUBES FOR EVAPORATING HEAT EXCHANGER WITH AIR BLOWING

Область техники, к которой относится настоящее изобретение
[0001] Настоящее изобретение относится к испаряющим теплообменникам с воздушным обдувом.
Предшествующий уровень техники настоящего изобретения
[0002] Давно известно, что трубки эллиптического сечения хорошо подходят для испаряющих теплообменников. Повышение плотности трубок в теплообменниках подходит для систем, в которых воздушный поток не обдувает змеевик, тогда как увеличение площади наружной поверхности за счет использования выступающих ребер подходит для систем, в которых предусмотрен обдув змеевика потоком воздуха. Однако применение обоих этих способов приводят к увеличению массы змеевика теплообменника и, соответственно, повышению себестоимости каждого теплообменника в сравнении с обычными конструкциями с трубчатыми змеевиками, поскольку необходимо увеличить толщину трубок с тем, чтобы они могли выдерживать внутреннее рабочее давление без деформации.
Краткое раскрытие настоящего изобретения
[0003] Настоящее изобретение служит для решения проблемы повышенной массы и себестоимости устройства с постепенным улучшением его производительности путем увеличения теплоемкости с одновременным уменьшением расходов на обеспечение эквивалентной теплоемкости за счет особой формы и конфигурации трубок, увеличивающей площадь основной поверхности, контактирующей с потоком воздуха, что повышает теплоемкость и параллельно с этим уменьшает толщину трубок теплообменника, снижая тем самым расходы на обеспечение эквивалентной теплоемкости. За счет конструкции согласно настоящему изобретению уменьшен эффективный диаметр трубок, что дает возможность уменьшить толщину стенок трубок с сохранением возможности их функционирования под таким же внутренним давлением.
Эффективность теплообменника в значительной мере определяется соотношением между фронтальной площадью открытого пространства для прохождения воздуха и площадью лобового сечения трубок. Если это соотношение слишком мало, то теплообменник будет характеризоваться нежелательным перепадом давления на стороне воздуха, снижающим эффективность испаряющего теплообменника. Этот эффект более явно выражен в испаряющих, а не в сухих теплообменниках, что обусловлено взаимодействием воды и воздуха. Форма и конфигурация трубок согласно настоящему изобретению обеспечивают такое же или меньшее указанное соотношение в сравнении с обычными теплообменниками такого же объема (т.е. объема змеевика или, иначе говоря, объема, заданного габаритными размерами змеевика, Д (длина) × Ш (ширина) × В (высота)) с одновременным увеличением площади поверхности змеевиков. Сочетание увеличения площади поверхности змеевика, уменьшения толщины стенок трубок и поддержания на том же или более низком уровне потери давления на стороне воздуха с использованием новой конструкции трубок согласно настоящему изобретению позволяет создать высокоэкономичный теплообменник с превосходным тепловым КПД (коэффициентом полезного действия).
[0004] Следовательно, согласно различным вариантам осуществления настоящего изобретения предложены многодольчатые трубки, которые могут быть использованы вместо одинарных трубок круглого или эллиптического сечения теплообменников предшествующего уровня техники. Эти многодольчатые трубки характеризуются длинным и узким вертикальным поперечным сечением. Каждая многодольчатая трубка может состоять из двух, трех, четырех и более долей. Многодольчатая форма обеспечивает возможность уменьшения профиля воздушного потока в лобовом сечении и толщины стенок трубок с сохранением ограничения по предельному рабочему давлению и площади наружной поверхности каждой трубки. Узкий профиль воздушного потока в лобовом сечении также позволяет разместить в том же объеме теплообменника значительно большее число трубок с одновременным сохранением или уменьшением соотношения между фронтальной площадью открытого пространства для прохождения воздуха и площадью лобового сечения трубок, что обеспечивает поддержание или сохранение на том же уровне или снижение потери давления на стороне воздуха, а также сохранение или увеличение объема потока воздуха в расчете на единицу мощности. Теплообменники, характеризующиеся конструкцией трубок согласно настоящему изобретению, могут одинаково эффективно функционировать в качестве охладителей рабочей жидкости или конденсаторов хладагента.
[0005] Соответственно, согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения предложен змеевик испаряющего теплообменника с воздушным обдувом, снабженный многодольчатыми трубками, площадь поверхности которых такая же или больше, чем у змеевика теплообменника аналогичного размера/объема, снабженного стандартными трубками круглого или эллиптического сечения.
[0006] Соответственно, согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения предложен змеевик испаряющего теплообменника с воздушным обдувом, снабженный многодольчатыми трубками со стенками намного меньшей толщины в сравнении со стандартными одинарными трубками с такой же площадью наружной поверхности.
[0007] Соответственно, согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения предложен змеевик испаряющего теплообменника с воздушным обдувом, в котором соотношение между фронтальной площадью открытого пространства для прохождения воздуха и площадью лобового сечения трубок такое же или больше, чем у змеевика обычного теплообменника аналогичного размера/объема, снабженного стандартными трубками круглого или эллиптического сечения.
[0008] Соответственно, согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения предложен змеевик испаряющего теплообменника с воздушным обдувом, в котором площадь поверхности трубок значительно больше, чем у змеевика обычного теплообменника аналогичного размера/объема, снабженного стандартными трубками круглого или эллиптического сечения.
[0009] Соответственно, согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения также предложен змеевик испаряющего теплообменника с воздушным обдувом, состоящий из множества многодольчатых трубок, собранных в трубный пучок.
[00010] Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения также предложен змеевик испаряющего теплообменника с воздушным обдувом, снабженный многодольчатыми трубками, число долей в которых равно двум.
[00011] Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения также предложен змеевик испаряющего теплообменника с воздушным обдувом, снабженный многодольчатыми трубками, число долей в которых равно трем.
[00012] Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения также предложен змеевик испаряющего теплообменника с воздушным обдувом, снабженный многодольчатыми трубками, в котором площадь поверхности трубок составляет 100%-300% от аналогичного показателя змеевика с такими же габаритными размерами, в котором используются трубки эллиптического сечения 0,85 дюйма.
[00013] Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения также предложен змеевик испаряющего теплообменника с воздушным обдувом, снабженный многодольчатыми трубками, в котором площадь открытого пространства для прохождения воздуха составляет 25%-150% от аналогичного показателя змеевика с такими же габаритными размерами, в котором используются трубки эллиптического сечения 0,85 дюйма.
[00014] Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения также предложен змеевик испаряющего теплообменника с воздушным обдувом, снабженный многодольчатыми трубками, в котором большая ось трубки отклонена от вертикали на угол 0-25 градусов.
[00015] Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения также предложен испаряющий теплообменник, предназначенный для охлаждения или конденсации технологического флюида и содержащий: зону косвенного теплообмена; систему распределения воды, расположенную над зоной косвенного теплообмена и выполненную с возможностью распыления воды поверх зоны косвенного теплообмена; причем зона косвенного теплообмена содержит входной коллектор для технологического флюида и выходной коллектор для технологического флюида, а также сборку из многодольчатых трубок, соединенных с указанным входным коллектором и указанным выходным коллектором; причем указанные трубки дополнительно характеризуются определенной длиной вдоль продольной оси; при этом испаряющий теплообменник также содержит смесительную камеру, где вода, распределенная указанной системой распределения воды и нагретая подводимым теплом из указанной зоны косвенного теплообмена, охлаждается за счет прямого контакта с воздухом, проходящим через указанную смесительную камеру; систему рециркуляции воды, включающую в себя насос и трубы и выполненную с возможностью забора воды, собирающейся в нижней части указанной смесительной камеры, и ее доставки в указанную систему распределения воды; и вентилятор, выполненный с возможностью подачи воздуха окружающей среды в указанную смесительную камеру и вверх через указанную зону косвенного теплообмена.
[00016] Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения также предложен трубный пучок теплообменника, в котором многодольчатые трубки выполнены прямыми, причем каждая из них своим первым концом соединена с входным коллектором технологического флюида, а своим вторым концом - с выходным коллектором технологического флюида.
[00017] Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения также предложен трубный пучок теплообменника, в котором многодольчатые трубки выполнены извилистыми, а каждая извилистая трубка характеризуется множеством отрезков, соединенных каждым своим концом с соседним отрезком этой же извилистой трубки посредством колена, и соединенных с одного конца извилистой трубки с входным коллектором для технологического флюида, а с другого конца - с выходным коллектором для технологического флюида.
Краткое описание фигур
[00018] Последующее описание предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения представлено в привязке к прилагаемым чертежам, где:
[00019] На фиг. 1 представлен вид сбоку испаряющего теплообменника предшествующего уровня техники с частичным разрезом.
[00020] На фиг. 2 показано перспективное изображение испаряющего теплообменника предшествующего уровня техники с частичным разрезом.
[00021] На фиг. 3 показано перспективное изображение внешнего вида стандартной эллиптической трубки теплообменника предшествующего уровня техники.
[00022] На фиг. 4 представлен вид в поперечном сечении стандартной эллиптической трубки теплообменника предшествующего уровня техники, показанной на фиг. 3.
[00023] На фиг. 5 представлен вид в поперечном сечении трубного пучка стандартного испаряющего теплообменника предшествующего уровня техники с трубками эллиптического сечения.
[00024] На фиг. 6 представлен еще один вид в поперечном сечении трубного пучка стандартного испаряющего теплообменника предшествующего уровня техники с трубками эллиптического сечения.
[00025] На фиг. 7 графически показано соотношение между фронтальной площадью открытого пространства для прохождения воздуха и площадью лобового сечения трубок в трубном пучке стандартного испаряющего теплообменника предшествующего уровня техники с трубками эллиптического сечения.
[00026] На фиг. 8 показан вид в поперечном сечении двухдольчатой теплообменной трубки или трубки арахисоподобной формы согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения.
[00027] На фиг. 9 представлено перспективное изображение внешнего вида двухдольчатой теплообменной трубки или трубки арахисоподобной формы согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения.
[00028] На фиг. 10 представлен вид в поперечном сечении трубного пучка испаряющего теплообменника с двухдольчатыми теплообменными трубками или трубками арахисоподобной формы согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения.
[00029] На фиг. 11а представлен еще один вид в поперечном сечении трубного пучка испаряющего теплообменника с двухдольчатыми теплообменными трубками или трубками арахисоподобной формы согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения.
[00030] На фиг. 11b представлен еще один вид в поперечном сечении трубного пучка испаряющего теплообменника с двухдольчатыми теплообменными трубками или трубками арахисоподобной формы согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения.
[00031] На фиг. 12 графически показано соотношение между фронтальной площадью открытого пространства для прохождения воздуха и площадью лобового сечения трубок в трубном пучке испаряющего теплообменника с двухдольчатыми теплообменными трубками или трубками арахисоподобной формы согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения.
[00032] На фиг. 13 показано несколько конфигураций многодольчатых теплообменных трубок и теплообменной трубки арахисоподобной формы согласно еще одному альтернативному варианту осуществления настоящего изобретения.
[00033] На фиг. 14 проиллюстрирован эффект уплотнения змеевика за счет использования более узких трубок такого же диаметра и толщины.
[00034] На фиг. 15 показано соотношение между шириной трубки и потребной толщиной стальной трубки под эквивалентное рабочее давление для круглых и «сплющенных» трубок диаметром 1,05 дюйма в сравнении с трубками арахисоподобной формы с площадью наружной поверхности на 25% больше.
Подробное раскрытие настоящего изобретения
[00035] На фиг. 1 и 2 показан однокамерный испарительный охладитель с вытяжным вентилятором предшествующего уровня техники. Вентилятор 101 засасывает воздух в устройство и выталкивает его в верхнюю часть устройства. Под вентилятором располагается система 103 распределения воды, которая распределяет воду по змеевику 105. Змеевик представляет собой сборку из извилистых трубок 107 эллиптического сечения. Посредством колена 111 каждый отрезок 109 трубки соединен своими концами с соседним отрезком трубки, расположенным ниже и/или выше. Охлаждаемый технологический флюид поступает в трубки через входной коллектор 113 и отводится из трубок через выходной коллектор 115. Под змеевиком располагается смесительная камера 117, через которую в устройство поступает воздух; при этом вода, которая поступает в устройство через систему 103 распределения воды, охлаждается за счет прямого теплообмена с указанным воздухом, собирается в нижней части и возвращается наверх через систему 119 рециркуляции воды.
[00036] На фиг. 3 и 4 показана стандартная трубка 107 эллиптического сечения испарительного теплообменника предшествующего уровня техники, представленного на фиг. 1 и 2. Внутри стенки 16 трубки находится рабочий флюид, такой как вода, гликоль или аммиак 15. Воздух 17, наполненный каплями воды, обдувает трубки снизу вверх. На фиг. 5 и 6 показана обычная схема расположения множества трубок, тип которых представлен на фиг. 3 и 4, в трубном пучке теплообменника, показанного на фиг. 1 и 2. Множество трубок 18а, 18b и т.д. обычно располагается по схеме, позволяющей воздуху 19, наполненному каплями воды, обдувать трубки под действием силы тяжести. Соотношение между фронтальной площадью 20 открытого пространства для прохождения воздуха и площадью лобового сечения трубок для такой конфигурации показано на фиг. 7 при стандартных размерах трубок и межосевых интервалах между ними, показанных на фиг. 6. Трубки этого типа обычно выполняются из отрезков трубы круглого сечения диаметром 1,05 дюйма с толщиной стенки 0,055 дюйма, которые затем механически «сплющиваются» в эллипс с внутренним диаметром 0,850 дюйма. На фиг. 7 графически показано соотношение между фронтальной площадью 20 открытого пространства для прохождения воздуха и площадью 21 лобового сечения трубок в трубном пучке стандартного испаряющего теплообменника с трубками эллиптического сечения шириной 0,850 дюйма.
[00037] На фиг. 8 и 9 показаны двухдольчатые трубки арахисоподобной формы согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. Как и в случае с трубками предшествующего уровня техники, внутри стенки 2 трубки находится рабочий флюид, такой как вода, гликоль или аммиак 1. Воздух 3, наполненный каплями воды, обдувает трубки снизу вверх. Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения высота трубки составляет 1,790 дюйма с шириной каждой доли 0,375 дюйма в самом широком месте поперечного сечения. Однако эти размеры не должны рассматриваться как ограничивающие объем настоящего изобретения, так как согласно заявленному изобретению могут быть использованы многодольчатые трубки любых размеров, в том числе высотой 1,250-2,500 дюйма с поперечным сечением долей 0,200-0,500 дюйма. Форма поперечного сечения долей может варьироваться от каплевидной до почти круглой или круглой. Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения противолежащие внутренние поверхности трубок свариваются в точке прижатия друг к другу, т.е. в том месте, где сходятся внутренние поверхности трубки (примерно по центру трубки в случае использования двухдольчатых трубок). Согласно различным вариантам осуществления настоящего изобретения трубки могут быть оребренными или неоребренными. Ширина стенки трубок предпочтительно составляет 0,055 дюйма, но может варьироваться в пределах 0,005-0,06 дюйма и выше. В любом случае варианты осуществления настоящего изобретения могут выдерживать рабочее давление 300-400 фунтов/кв. дюйм и выше.
[00038] На фиг. 10, 11а и 11b представлены виды в поперечном сечении трубных пучков испаряющего теплообменника с двухдольчатыми теплообменными трубками или трубками арахисоподобной формы, показанными на фиг. 8 и 9. Согласно этому варианту осуществления настоящего изобретения трубный пучок характеризуется площадью основной наружной поверхности трубок, в два раза превышающей аналогичный показатель трубного пучка обычного теплообменника (с трубками круглого сечения диаметром 1,05 дюйма или трубками эллиптического сечения диаметром 0,85 дюйма) такого же объема (т.е. объема змеевика или, иначе говоря, объема, заданного габаритными размерами змеевика, Д × Ш × В). Множество трубок 4а, 4b и т.д. располагается по представленной схеме, позволяющей наполненному каплями воды воздуху 6 обдувать трубки. Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения расстояние между соседними вертикальными рядами трубок (измеренное между их осями) составляет 102-106% от высоты трубок, а в более предпочтительном варианте - 104% от высоты трубок. Предпочтительное расстояние между соседними горизонтальными рядами трубок (измеренное между их осями) составляет 305-320% от ширины долей; в более предпочтительном варианте - 310-312%; а в наиболее предпочтительном варианте - 311%.
[00039] На фиг. 12 графически показано соотношение между фронтальной площадью 6 открытого пространства для прохождения воздуха и площадью 7 лобового сечения трубок в трубном пучке испаряющего теплообменника с трубками арахисоподобной формы согласно настоящему изобретению. Фронтальная площадь открытого пространства для прохождения воздуха примерно такая же, что и у змеевика теплообменника предшествующего уровня техники такого же объема, и поэтому через змеевик может проходить такое же количество воздуха без необходимости изменения размера или мощности вентилятора. Однако у змеевика согласно настоящему изобретению с двухдольчатыми трубками или трубками арахисоподобной формы площадь основной наружной поверхности трубок в два раза больше, чем у трубного пучка обычного испаряющего теплообменника такого же объема.
[00040] На фиг. 13 показаны дополнительные варианты осуществления многодольчатых трубок. Согласно различным вариантам осуществления настоящего изобретения дольчатые трубки могут состоять из двух, трех, четырех и более долей. А продольная ось поперечного сечения трубок может быть отклонена от вертикали на угол 0-25 градусов.
[00041] На фиг. 14 проиллюстрирован эффект уплотнения змеевика за счет использования постепенно сужающихся или «сплющенных» трубок такого же диаметра и толщины; т.е. начиная с трубок круглого сечения диаметром 1,05 дюйма (крайние справа точки на графике), для змеевика с таким же объемом/габаритными размерами были проанализированы такие показатели, как общая площадь поверхности змеевика, его стоимость, теплоемкость и количество трубок. Нижняя ось отражает уменьшающуюся ширину трубок (справа налево) по мере того, как трубки диаметром 1,05 дюйма с толщиной стенки 0,055 дюйма сплющиваются, постепенно трансформируясь в трубки эллиптического сечения. По левой оси отложены процентные доли площади поверхности змеевика, его стоимости, теплоемкости и количества трубок от аналогичных показателей змеевика, содержащего стандартные трубки эллиптического сечения шириной 0,85 дюйма. На этом графике видно, что стоимость находится в прямо пропорциональной зависимости от теплоемкости. На этом графике не показано, как резко снижается предельное рабочее давление змеевиков по мере сплющивания трубок (см. фиг. 15).
[00042] На фиг. 15 показано соотношение между шириной профиля трубки и требуемой толщиной стенки стальной трубки под эквивалентное рабочее давление для круглых и «сплющенных» трубок диаметром 1,05 дюйма в сравнении с трубками арахисоподобной формы с увеличенной на 25% площадью наружной поверхности. По нижней оси отложены значения ширины трубки, начиная с 1,2 дюйма в крайне правой части. По левой оси отложены значения требуемой толщины трубок для их безопасной эксплуатации под рабочим давлением 300 фунтов/кв. дюйм. Линия, исходящая из нижней правой четверти графика и доходящая до его верхней левой четверти, иллюстрирует, как толщина трубки, потребная для ее эксплуатации под давлением 300 фунтов/кв. дюйм, изменятся с около 0,015 дюйма для трубки круглого сечения диаметром 1,05 дюйма до около 0,055 дюйма для трубки эллиптического сечения, сплющенной с 1,05 дюйма до около 0,080 дюйма; и до около 0,080 дюйма для трубки эллиптического сечения, сплющенной с 1,05 дюйма до 0,25 дюйма. Короче говоря, эта линия показывает, что по мере сплющивания трубки диаметром 1,05 дюйма (например, для возможности размещения в змеевике большего числа трубок) толщина стенки трубки, необходимая для выдерживания рабочего давления в 300 фунтов/кв. дюйм, резко возрастает, что увеличивает массу устройства, а также затраты на его изготовление и материалы. Однако на фиг. 15 также видно, что удивительным образом к двух- и трехдольчатым трубкам арахисоподобной формы согласно настоящему изобретению предъявляются неожиданно и существенно более низкие требования в отношении толщины из стенок для эксплуатации под рабочим давлением 300 фунтов/кв. дюйм. Например, двухдольчатая трубка высотой 1,72 дюйма требует толщины стенки всего 0,048 дюйма, что меньше толщины стенки в 0,055 дюйма у трубок эллиптического сечения диаметром 0,85 дюйма предшествующего уровня техники. Двухдольчатая трубка высотой 1,51 дюйма требует толщины стенки всего 0,036 дюйма для обеспечения ее безопасной эксплуатации под рабочим давлением 300 фунтов/кв. дюйм, а трехдольчатая трубка высотой 1,72 дюйма требует толщины стенки всего 0,005 дюйма для обеспечения ее безопасной эксплуатации под рабочим давлением 300 фунтов/кв. дюйм.