КОНСТРУКЦИЯ СПИРАЛЬНОГО ТЕПЛООБМЕННИКА

Область техники, к которой относится полезная модель. Полезная модель относится к теплообменникам, и может быть использована в разного рода энергетических установках для отвода тепла от теплоносителя.
Уровень техники. Известен трубчато-ленточный теплообменник и гофрированная лента для трубчато-ленточного теплообменника [патент РФ на полезную модель №143021], содержащий, по меньшей мере, два бачка, соединяющие бачки, по существу, параллельные трубки для прохода жидкости между бачками, расположенные на расстоянии между собой и имеющие каждая некруглое поперечное сечение с двумя противолежащими, по существу, плоскими и параллельными стенками, и расположенные между трубками, соединенные с ними гофрированные ленты из теплопроводного материала, образующие каналы для прохода воздуха и имеющие каждая, по существу, плоские вершины гофр, которые соединены с плоскими стенками трубок, и, по существу, плоские участки между вершинами гофр, причем на указанных плоских участках лент выполнены просечки, имеющие отогнутые кромки, образующие жалюзи для прохода воздуха с одной стороны ленты на другую ее сторону, жалюзи объединены в чередующиеся расположенные на расстояниях между собой поперек лент группы, у которых кромки просечек отогнуты в разные стороны, и между чередующимися группами жалюзи расположены чередующиеся плоские площадки, которые взаимно смещены в противоположные стороны в направлении, перпендикулярном относительно плоских участков лент.
К недостатку такого решения можно отнести сложную конструкцию из трубок и гофрированных лент, имеющих большое количество сварных точек, что ведет к снижению надежности работы в целом, кроме того, два выносных бачка, что увеличивает габариты такого решения.
Также известен пластинчатый теплообменник [патент РФ на изобретение №2351863], содержащий пластинчатый теплообменник, включающий несколько собираемых в блок совместно с герметизирующими прокладками посредством стягивающих элементов через прижимные пластины с фитингами теплообменных пластин, содержащих основную теплообменную часть, расположенную между двумя распределительно-коллекторными частями, и отверстия, расположенные в угловых частях распределительно-коллекторных частей, для обеспечения притока и оттока охлаждаемой или нагреваемой жидкости или пара, рифления для расположения герметизирующих прокладок, рифления теплообменной части, рифления распределительно-коллекторных частей, рифления вблизи отверстий. Рифления распределительных частей теплообменных пластин, расположенных в сборе своими отверстиями соосно с фитингами, по меньшей мере, одной прижимной пластины, выполнены таким образом, чтобы обеспечить в пространстве между соседними теплообменными пластинами различное гидродинамическое сопротивление в области распределительно-коллекторных частей с увеличенным его значением в области наименьшего пути от входного отверстия к основной теплообменной части и уменьшенным его значением в области наибольшего пути от входного отверстия к основной теплообменной части с выравниванием гидродинамических параметров элементарных объемов охлаждаемой или нагреваемой жидкости при их подходе от входного отверстия через распределительно-коллекторную часть к основной теплообменной части.
К недостаткам такого решения можно отнести наличие сложной формы гофр, не полностью омываемых потоком жидкости или пара - что снижает эффективность теплообмена, и наличие в конструкции большого количества теплоотводящих пластин с уплотнениями, что снижает надежность решения в целом.
Также известен теплообменник [патент РФ на полезную модель № 201442], содержащий цилиндрический корпус с каналами во внутренней его полости. Его каналы выполняются в виде двух спиралей, причем количество витков и направление закручивания спиралей совпадает, спирали повернуты на 180 градусов относительно друг друга в продольной оси, каналы имеют прямоугольное сечение, меньшая из сторон их сечения ориентирована вдоль продольной оси вращения спиралей, каналы в смежных витках двух спиралей имеют общую стенку, оба канала имеют отверстия для подачи и выпуска теплоносителя, расположенные с торцов цилиндрического корпуса, в центре цилиндрического корпуса имеется сквозной цилиндрический вырез.
К недостаткам такого решения можно отнести, что для теплообмена между двумя средами теплоносителя используется только боковая грань в витках спирали, а для увеличения площади поверхности обмена требуется уменьшить толщину спиральных каналов, что ведет к росту гидравлического сопротивления при той же длине теплообменника.
Данное решение является наиболее близким по своей технической сущности прототипом к заявляемому решению.
Раскрытие полезной модели. Из уровня техники широко известны различного рода теплообменники для передачи тепловой энергии между двумя средами (теплоносителями) [1].
Из уровня техники известны различные варианты теплообменников для отвода тепла от энергетических установок (например, для охлаждения воды в энергетических установках, где она является теплоносителем). Упомянутое тепло может быть результатом как нагрева теплового двигателя (дизеля), так и работы парового котла в паровых и атомных энергетических установках. Во всех этих случаях существует замкнутый контур для циркуляции среды теплоносителя, а в конце теплового цикла отработанный пар, вода или любой другой теплоноситель проходит через теплообменник, где охлаждается водой из внешней среды (это может быть водоем атомной электростанции, а также забортная вода на судах). Теплообмен может осуществляться и для других целей, например в холодильных установках и рефрижераторах. Главным в процессе теплоотвода является наличие охлаждаемой и охлаждающей сред, которые взаимодействуют между собой в объеме теплообменника сквозь его стенки. В большинстве известных теплообменников используется массив из трубок с охлаждающей средой, проходящих сквозь объем теплообменника. В таком варианте площадь теплообмена определяется количеством трубок, и их число может быть весьма значительным, в идеале с полным заполнением все объема теплообменника. Это ведет к усложнению конструкции, появлению большого числа сварных стыков сложной конфигурации, что не только ведет к росту цены - но и снижает надежность при долговременной работе.
В качестве рабочих жидкостей - сред, обменивающихся теплом, чаще всего оказываются вода, пар и воздух. Воздух как теплоноситель является наименее эффективным в силу своей малой теплоемкости даже в значительно сжатом состоянии (под давлением) [1]. Вода используется как теплоноситель в современных атомных энергетических установках, причем применяется так называемый “водо-водяной” цикл, когда теплоносителем является вода под давлением, что исключает ее закипание.
Во всех энергетических установках существует задача теплоотвода от установки - это может быть как задача охлаждения элементов оборудования и дизельного двигателя (или турбины), в том числе в силу нагрева током в электрических цепях, так и обеспечения необходимой температуры воды на входе в ядерный реактор на атомных электростанциях, что необходимо для регулирования скорости реакции деления и поддержания заданных режимов эксплуатации установки. Также существуют вспомогательные холодильные установки, для которых необходим сброс тепла во внешнюю среду. Во всех этих случаях теплообменники обеспечивают разделение обменивающихся теплом сред, обеспечивая химическую чистоту и стабильность параметров во внутреннем контуре.
Для указанных целей как правило используют теплообменники разной конструкции, чаще всего они представляют собой емкость с массивом малых трубок, вваренных в ее корпус, через которые прокачивается внешняя среда. Число таких трубок может быть велико, пропорционально количеству тепла, отдаваемого во внешнюю среду, для каждой трубки соединение с корпусом теплообменника обеспечивается сваркой, что приводит к большому числу сварных соединений, качество которых сложно проконтролировать.
В решении, выбранном за основной прототип, используется массив плоских пластин со сложным рифлением, которые оснащены отверстиями для подачи обменивающихся теплом сред (теплоноситель и охладитель). Для герметизации мест контакта предлагается использоваться фитинги, имеющие ограниченный срок службы. Предложенное рифление не позволяет средам омывать всю поверхность равномерно, что приводит к ухудшению отдачи тепла в охлаждающую среду.
В предлагаемом решении выбран другой путь для повышения отдачи тепла от теплоносителя к охладителю, и повышению эффективности объема корпуса теплообменника - что косвенным образом ведет и к снижению его массы и габаритов, поскольку повышение теплоотдачи на единицу объема позволяет уменьшить габариты при сохранении скорости теплообмена.
Для этого предлагается использовать цилиндрический корпус и каналы для теплоносителя и охладителя (взаимодействующих сред), в виде спиралей. На фигуре 1 показан внешний вид полости одной из таких спиралей. Видно, что сечение канала является прямоугольным (уплощенным) и закручивается вокруг продольной оси. Площадь длинной стороны поперечного сечения в канале будет определять площадь взаимодействия сред, поэтому необходимо выполнять ее возможно большим; но кроме того, высота канала (меньшая из сторон прямоугольного сечения канала) определяет количество витков в спирали, которые удастся разместить при данной длине теплообменника. То есть по возможности, необходимо увеличивать количество витков, путем их утончения. Необходимое соотношение должно выбираться разработчиком в каждом случае отдельно, поскольку существуют разные среды, обладающие разной вязкостью - необходимо обеспечивать также малое гидравлическое сопротивление протеканию обменивающихся теплом сред.
Следует заметить, что любой трубопровод или канал для протекания жидкости или газа, будет обладать некоторым сопротивлением прохождению и это является нормальным, поскольку в любой системе для циркуляции среды требуется обеспечить перепад давления, чтобы начался проток среды от зоны с большим давлением, к зоне с меньшим давлением. Таким образом, в случае необходимости, устанавливаются насосы, обеспечивающие проток сред через теплообменник.
На фигуре 2 показаны две полости каналов для обменивающихся сред, откуда видно, что каждая спираль повернута в продольной оси вращения на угол 180 относительно друг друга: это необходимо для равномерного хода спиралей и отсутствия мест пересечения. Вместе с тем, такой угол сдвига дает равномерное по длине спирали расстояние между стенками каналов, что важно для равномерной отдачи тепла и обеспечения симметрии конструкции в целом. Показанные на фигуре 2 полости изображают их объем в корпусе теплообменника, однако сами каналы - это пустоты в упомянутом корпусе спирального теплообменника.
На фигуре 3 показан спиральный теплообменник, в котором в целях наглядности выполнен вырез ¼ его части. Таким образом, можно наблюдать его внутреннее устройство. Виден ход спиралей по высоте теплообменника, и спиральность их структуры. С торцов корпуса теплообменника можно видеть отверстия для впуска и выпуска сред, которые выполняются с обеих сторон - то есть с одной стороны в спираль подается среда, с другой стороны она выходит через аналогичное отверстие. Форма таких отверстий показана прямоугольной, однако они могут быть и округлой формы - или любой другой, удобной для потребителя. Подключение внешних систем может осуществлять вваркой в теплообменник штуцеров, или другим удобным способом. Способ внешних подключений может быть выбран потребителем на основании существующего уровня технологий.
Наиболее предпочтительным материалом для изготовления являются металлы благодаря их высокой теплопроводности для большинства случаев, а также высокой прочности и долговечности. Однако тип материала корпуса не входит в отличительную часть формулы предлагаемого решения, и может быть различным. Сам корпус может быть выполнен путем сварки составных частей (в случае изготовления из металла) или путем склейки для гибридных материалов (например, металлокерамики и аналогичных).
На фигуре 4 показан внешний вид спирального теплообменника в сборе, с отверстиями с торцов для впуска и выпуска обменивающихся теплом сред, и цилиндрический характер корпуса. Также можно видеть вырез в центре корпуса теплообменника, позволяющий снизить его массу, так как изготовление спирали с очень малым внутренним диаметром неэффективно, так как с уменьшением внутреннего радиуса уменьшается и площадь каналов на единицу длины радиуса, и затрудняется их изготовление технологически. Показанные на фигурах 1, 2, 3 спиральные каналы обеспечивают простоту самой конструкции теплообменника, но их эффективность по теплообмену определяется площадью соприкосновения смежных сторон каналов, то есть площадью взаимодействия взаимодействующих сред.
Стенки спиралей выполняются общими, таким образом, среды в них обмениваются теплом между смежными витками двух спиралей, со сменой витков по типу “горячий”-“холодный”. Изготовление стенок между витками двух спиралей тонкими не только минимизирует расход материалов, но и обеспечивает обмен теплом между средами в каналах.
Сама спиральная структура каналов для обменивающихся теплом сред обеспечивает высокое заполнение объема корпуса как самой спиралью, так и большую площадь соприкосновения, особенно при выполнении каналов для обменивающихся теплом сред насколько это возможно тонкими. В таком случае растет число витков спиралей, и площадь их стенок между собой в том же объеме корпуса теплообменника. Однако по техническим причинам как конструктивного, так и связанного со свойствами жидких сред, характера количество витков в спирали ограничено при заданной длине корпуса, так как течение жидких теплоносителей через тонкие каналы увеличивает их гидравлическое сопротивление и может быть затруднено.
На фигуре 5 показано продольное сечение корпуса теплообменника и его внутреннее устройство, аналогичное показанному на фигуре 3, где был сделан вырез ¼ из корпуса теплообменника. Данная конструкция является прообразом для предлагаемого решения.
На фигуре 6 внешний вид многослойного спирального теплообменника с вырезом в полость его корпуса. Из рисунка видно, что внутри в его полости выполнены каналы для теплоносителя, по которым прокачиваются холодная и горячая среды. Каналы выполнены спиральными, но располагаются в слои, идущие от центра, и охватывающие друг друга. При этом обеспечивается увеличение площади соприкосновения теплоносителей, обменивающихся теплом - а это в свою очередь увеличивает теплообмен между средами, так как увеличение площади взаимодействия при прочих равных условиях дает увеличение теплообмена [1]. Увеличение площади совместных стенок будет происходить при увеличении количества слоев в предлагаемом решении, так что чем больше слоев, тем больше площадь и эффективность.
На фигуре 7 разрез многослойного спирального теплообменника вдоль продольной оси его корпуса. Как видно, каналы имеют прямоугольное сечение, причем вид теплоносителя (горячий, холодный) чередуется не только в парах витков, но и между слоями спиральных каналов. Это достигается так: спиральной формой каналов, наличием пары каналов в каждом слое, причем каналы в паре сдвинуты по своей оси на 180 градусов между собой, горячий и холодный теплоносители (знаки + и - условно на фигуре 7) чередуются между собой дважды: при подаче в пары каналов, и при подаче в пары каналов разных слоев. Таким образом, обеспечивается полное использование объема корпуса теплообменника - все каналы имеют другой тип теплоносителя во всех смежных с ними каналах, а это означает рост площади контакта обменивающихся теплом сред.
Чем больше площадь стенок между каналами - тем выше теплообмен между теплоносителями горячей и холодной среды. Таким образом, в обмене теплом в многослойном спиральном теплообменнике участвуют не только стенки спиралей, но и боковые стенки - а рост числа слоев дает улучшение обмена теплом пропорционально количеству упомянутых слоев.
На фигуре 8 конструкция одного витка для спиралей предлагаемого решения, который представляет собой круг с вырезом в центре, равным по диаметру с наружным диаметром трубы в центре цилиндрического корпуса. Также из фигуры 8 виден разрез от внутреннего к наружному краю круга, который позволяет развести края в месте его выполнения, образуя виток для сборки спирали. Количество кругов будет пропорционально числу витков в спиралях, а их края соединяются друг с другом сваркой, образуя монолитную конструкцию. Внутренний край каждого круга в спирали приваривается к наружной поверхности цилиндра, который находится в центре предлагаемого решения. Таким образом, формируются две спиральные полости.
На фигуре 9 конструкция ленты для каналов спирали предлагаемого решения, которая имеет скошенные края для приварки к торцам корпуса. При изготовлении предлагаемого решения данная лента образует каналы в слоях. В каждом слое требуется две ленты для укладки, по числу спиралей, образуя один слой с двумя спиральными каналами для теплоносителей. Повторяя укладку ленты, образуют следующие слои. Последняя пара лент образует наружную поверхность предлагаемого решения.
На фигуре 10 конструкция предлагаемого решения в сборе, где видно слои образованные лентой и витки спиралей, образованные разрезанными кругами. Такая конструкция обеспечивает простую поэтапную сборку всего теплообменника в целом, простоту составляющих деталей и исключение из технологического цикла сложных операций типа фрезерования, обеспечивая высокую скорость сборки благодаря возможности поточного изготовления всех составных частей, и доступа для их сварки. В центре расположена труба, которая выполняет роль несущей основы при сборке.
Также следует отметить, что выпуск теплоносителей в предлагаемом решении будет иметь квадратное сечение, поскольку края ленты необходимо вваривать в торцы корпуса, изготовляемые отдельно.
Все соединения в предлагаемом решении выполняются сваркой, что дает надежность и герметичность между теплоносителями, обеспечивается легкий доступ как для ручной, так и автоматизированной сварки. Сборка должна производиться изнутри наружу многослойной конструкции, что дает эффект простоты, технологичности и скорости изготовления.
Заявленное решение является простым и промышленно применимым, представляя собой многослойный спиральный теплообменник симметричной конструкции, обеспечивающей удобство и простоту изготовления.
Предлагаемое техническое решение является новым, и имеет следующие принципиальные отличия от прототипа:
- все каналы выполнены идентичными по сечению;
- стенки между витками в парах каналов выполнены из кругов, имеющих внутренний вырез, совпадающий с наружным диаметром трубы внутри корпуса, а также разрез от края к центру;
- круги стыкуются друг с другом и соединены сваркой между собой и наружной поверхностью трубы внутри корпуса образуя витки спиралей;
- стенки между смежными каналами разных слоев выполнены из ленты, ширина которой равна шагу витков спиралей, и которая имеет скошенные края, совпадающие с контуром вырезов в торцах цилиндрического корпуса, и соединена сваркой с витками спиралей, а по краям и с торцами цилиндрического корпуса.
Таким образом, вся совокупность существенных признаков полезной модели ранее неизвестна и приводит к новому техническому результату - росту скорости сборки предлагаемого решения.
Краткое описание чертежей. На фигуре 1 изображена форма полости спирального канала. На фигуре 2 изображена форма полостей двух спиральных каналов со сдвигом 180 градусов между собой. На фигуре 3 изображен внешний вид спирального теплообменника с вырезом в полость его корпуса. На фигуре 4 изображен внешний вид спирального теплообменника в сборе. На фигуре 5 изображено сечение в продольной плоскости спирального теплообменника. На фигуре 6 изображен внешний вид многослойного спирального теплообменника с вырезом в полость его корпуса. На фигуре 7 изображено сечение многослойного спирального теплообменника в продольной плоскости. На фигуре 7 конструкция одного витка для спиралей предлагаемого решения. На фигуре 8 конструкция ленты для каналов спирали предлагаемого решения. На фигуре 9 конструкция предлагаемого решения. Здесь 1 - виток спирали, 2 - лента каналов спирали, 3 - труба.
Список использованной литературы.
1. Степанов О.А., Захаренко С.О. Основы трансформации теплоты. СПб.: Лань, 2019, 128 с.