ТЕПЛООБМЕННИК

Заявляемое техническое решение относится к области теплотехники и может быть использовано во всех сферах народного хозяйства, использующих теплопередающие установки.
Известны различные конструкции теплообменников, основные из которых достаточно детально описаны в книге «Справочник по теплообменникам» под редакцией Белова Л.В., т.2, раздел 3.1, стр.4-9, Энергоатомиздат, 1987 г. [1].
В бытовых радиаторах отопления, в системах охлаждения двигателей, в холодильных агрегатах широкое распространение получили теплообменники, выполненные по принципу «труба в трубе», при котором в концентрических трубах находятся два разных или одинаковых теплоносителя с разными температурами. В простейшем случае через внутреннюю трубу пропускают один теплоноситель, например, вода, пар, масло, фреон и т.п., а через внешнюю трубу пропускают другой или такой же теплоноситель, но с другой температурой. Обмен теплом между теплоносителями осуществляется через стенку внутренней трубы. Стенка внешней трубы сообщается с внешней средой. При этом такая стенка, в зависимости от назначения теплообменника, либо изолируется для уменьшения теплообмена с внешней средой, либо снабжается ребрами, повышающими площадь контакта с внешней средой, а значит, повышающими коэффициент полезного действия теплообменника. Внешняя поверхность внутренней трубы также зачастую снабжается ребрами, в основном, продольными, что способствует увеличению площади теплообмена. Основным недостатком теплообменника «труба в трубе» являются большой
объем и высокая стоимость на единицу поверхности теплообмена.
Кожухотрубные, пластинчатые, оребренные и матричные теплообменники отличаются от теплообменника «труба в трубе», в основном, лишь использованием более сложных поверхностей теплообмена, что в ряде случаев повышает их производительность, но существенно усложняет их производство и стоимость.
В последнее время появились сведения о разработке не только новых конструкций теплообменников, но и об усовершенствованных способах производства отдельных, наиболее сложных, элементов таких теплообменников (см., например, заявки на патент РФ №2003136022 [2] и 2005136495 [3]).
Одной из наиболее удачных разновидностей современных теплообменников является теплообменник сильфонного типа, состоящий из теплопередающего элемента в виде сильфона и продольных желобов с перегородками, обеспечивающими подвод рабочих сред к обеим сторонам сильфона (полезная модель РФ №22703 [4]). Эта конструкция соединяет в себе преимущества простого в производстве и эксплуатации теплообменника типа «труба в трубе» с повышенной производительностью теплообменников кожухотрубного типа. Как известно, сильфон (от англ. фирменного назв. Sylphon), представляет собой тонкостенную металлическую трубку или камеру с гофрированной (волнообразной) боковой поверхностью. Сильфоны изготавливают из латуни (обычно полутомпака), фосфористой и бериллиевой бронзы и нержавеющей стали. Наиболее широко сильфоны применяют в пневмо- и гидроавтоматике в качестве чувствительных элементов, реагирующих (расширением или сжатием, подобно пружине) на изменение давления газа или жидкости, действующего на дно сильфона (например, в датчиках температуры, давления), а также в качестве гибких
соединений трубопроводов, компенсаторов температурных удлинений, упругих разделителей сред и т.п. Стенки сильфона для работы при больших разностях давлений и в агрессивных средах изготовляют 2-, 3- и 4-слойными. Высокая себестоимость сильфонов, вызванная сложностью их производства, до недавнего времени ограничивала сферу их применения. Однако в последнее время технология производства сильфонов значительно упростилась, что позволяет более широкое их использование. Эта полезная модель является наиболее близкой по замыслу к заявляемому техническому решению и выбрано в качестве прототипа.
Основным недостатком известного устройства [4] является его недостаточная компактность, несмотря на весьма высокоразвитые теплопередающие поверхности. Одинаковая площадь обоих сторон теплопередающей поверхности в таком теплообменнике не позволяет добиться эффективной теплопередачи между рабочими средами с большой разницей значений коэффициентов теплоотдачи.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое предложение, состоит в том, чтобы добиться существенного повышения эффективности (кпд) теплообменника при сохранении компактности и надежности, присущим конструкциям типа «труба в трубе».
Поставленная задача решена за счет разработки такой конструкции, которая обеспечивает значительное увеличение площади активного теплообмена в устройстве за счет сочетания преимуществ теплообменников разных типов, а именно, «труба в трубе», "оребренного" и «сильфонного», при этом предлагаемый теплообменник выполнен в виде двух концентрических труб, из которых внутренняя труба выполнена в форме сильфона, снабженного центральным стержнем, имеющим диаметрально расположенные
продольные желоба, число которых кратно двум, а внешняя труба выполнена с двумя диаметрально расположенными продольными выступами с образованием каналов, причем вершины гофров сильфона сопряжены с боковой поверхностью стержня и внутренней поверхностью внешней трубы, а в желобах и каналах установлены в шахматном порядке поперечные перегородки. Отличительной характеристикой предлагаемой конструкции является установка в каналах внешней трубы профильных полуколец, снабженных касающимися друг друга выступами, что обеспечивает повышение компактности теплообменника, недостижимое в случае тривиального сочетания основных принципов, обеспечивающих функционирование теплообменников трех вышеуказанных типов.
Технический результат, достижение которого обеспечивается заявленным техническим решением, заключается в существенном повышении эффективности и компактности теплообменника.
Для достижения указанного технического результата предлагается установить в свободное пространство, расположенное между внутренней и внешней трубами теплообменника и не занятое гофрами (которое далее будем называть «щелевым каналом», в отличие от каналов, образованных за счет выступов внешней трубы), два пакета полуколец одинакового профиля, отдаленно сходного по форме с греческой буквой «омега»  Ω, отличающихся друг от друга по диаметру и величине прямолинейного отрезка, уменьшающегося по мере увеличения диаметра. При этом внешняя поверхность каждого полукольца выполнена (в поперечном разрезе) волнообразной, предпочтительно близкой к синусоиде.
Поскольку, в отличие от известных решений, внутренняя труба заявляемого теплообменника выполнена в виде сильфона, далее по тексту эта конструкция будет именоваться «теплообменником
сильфонного типа».
Теплообменник сильфонного типа с внутренним оребением внешнего контура представлен на Фиг.1. Теплопередающий элемент его выполнен в виде гофрированного цилиндра 1, изготовленного, например, путем сжатия тонкостенной трубы под высоким давлением. К концам гофрированного цилиндра прикреплены, например, приварены, фланцы 2 (см. Фиг.1, вид 1.1).
Во внутренний диаметр гофрированного цилиндра устанавливается вставка 3 с диаметрально расположенными каналами, снабженными перегородками (см. Фиг.1, вид 1.2).
Цилиндр со вставкой устанавливается в корпус 4, который также имеет диаметрально расположенные продольные желоба с перегородками. С торцов корпус закрывается крышками 5, имеющими отверстия для входа и выхода рабочей среды.
Герметизация соединений крышки с корпусом и фланцами обеспечивается в приведенном примере прокладкой 6, болтами 7 с шайбами, однако имеется возможность применения и других видов герметизации, например, путем сварки, склеивания и т.п.
В щелевые каналы внешнего контура гофрированного цилиндра устанавливаются профильные полукольца 8. Полукольца, изготовленные из одного профиля, отличаются друг от друга по диаметру и по длине прямолинейного отрезка, который по мере увеличения диаметра уменьшается. Внешняя поверхность каждого полукольца имеет чередующиеся выемки, предназначенные для движения теплообменной среды и, в рассматриваемом случае, образующие синусоидальную поверхность.
На Фиг.3 представлены первое (см. Фиг.3, вид 3.1) и последнее (см. вид 3.2) профильное полукольца.
Полукольца, уложенные в пакет, за счет касания выступами
друг друга, обеспечивают радиальную фиксацию своего положения в щелевом канале. А торцевые плоскости полуколец, касающиеся стенок щелевого канала, обеспечивают фиксацию положения вдоль оси.
Последнее полукольцо (см. Фиг.3) отличается от остальных еще и тем, что имеет дополнительное удлинение нижних отгибов профиля. Этот дополнительный горизонтальный отрезок предназначен для фиксации пакета полуколец от нежелательного смещения (в экспериментальном образце этот дополнительный участок был выполнен длиной 5 мм).
На Фиг.2 представлены виды 2.1, 2.2 и 2.3, поясняющие размещение полуколец в промежутках между гофрами сильфона. При этом вид 2.3 дает представление о способе фиксации пакета полуколец за счет специфической формы последнего полукольца. В перегородках продольных желобов с обеих сторон имеются прорези для установки последнего профильного полукольца. Посредством размещения выступающих (дополнительных) прямолинейных участков последнего профильного полукольца в прорезях перегородки продольных желобов обеспечивается фиксация пакета полуколец в щелевом канале.
Установка двух пакетов полуколец в каждом щелевом канале обеспечивает необходимую рабочую поверхность внешнего контура теплопередающего элемента.
При использовании во внутреннем контуре сильфона большего давления рабочей среды, чем в наружном контуре, исключается пайка, сварка стыков профильных полуколец между собой и со стенкой щелевого канала. Это значительно упрощает конструкцию и обеспечивает полную разборку при ремонте и профилактическом обслуживании.
Когда рабочей средой внешнего контура сильфона является атмосферный воздух, корпус 4 теплообменника является факультативной деталью.
В этом случае для фиксации профильных пакетов используется направляющая рамка 9, соединяющая прямолинейные участки последних профильных полуколец двух линейных сильфонов (см. Фиг.1, вид 1.1).
Работает теплообменный аппарат следующим образом. Рабочие среды поступают в продольные желоба вставки и корпуса. Достигнув в продольных желобах перегородки, рабочие среды, раздваиваясь на обе стороны по щелевым каналам, устремляются к продольным желобам, расположенным на противоположной стороне. Достигнув перегородки в этих продольных желобах, рабочие среды движутся в обратном направлении. Таким образом, меняя направление рабочие среды и обеспечивая движение по лабиринту щелевых каналов теплопередающей поверхности гофрированного цилиндра, достигают необходимого перепада температур. Движение рабочих сред в щелевых каналах происходит по окружности с высоким радиусом кривизны, сопровождаясь при этом вихревыми течениями потока даже на низких скоростях, что в значительной мере увеличивает теплопередачу теплопередающего элемента.
Производительность сильфонного теплообменника зависит от величины наружного диаметра, длины сильфона, высоты и шага гофр, а также от количества профильных полуколец в щелевых каналах внешнего контура.
Профильные полукольца укладываются друг на друга в щелевом канале, образуя пакет. Расстояние между полукольцами определено высотой гофры полукольца. При этом высота и шаг гофры определяют параметры щелевого канала во внешнем контуре.
Наличие профильных полуколец в щелевых каналах увеличивает рабочую поверхность внешнего контура и дает возможность уменьшить толщину стенки теплопередающего элемента, увеличивая рабочее давление внутреннего контура. При этом исключается прогиб стенок щелевого канала и обеспечивается контакт профильных полуколец со стенкой щелевого канала без пайки и сварки стыков.
Такое решение позволяет расширить перечень сочетания материалов теплопередающего элемента и материалов с высокой теплопроводностью, используемых для оребрения поверхности.
Особенностью такого теплообменника является также то, что сильфон в конструктивной цепочке работает, как компенсатор. Это упрощает конструкцию и позволяет избежать размораживания в аварийных ситуациях.