ТЕПЛООБМЕННИК
HEAT EXCHANGER

Изобретение относится к теплообменным устройствам и может быть использовано в химической, радиохимической и других отраслях промышленности.
Из уровня техники известны теплообменные аппараты, в которых с помощью оребренных труб образованы неподвижные каналы для двух теплоносителей. Например, труба теплообменника высокого давления [А.с. №1096483, F28F 1/20, опубл. 07.06.84] содержит продольные ребра с базовой поверхностью, контактирующие с наружной поверхностью трубы, и наружный прижимной элемент, жестко закрепленный на трубе. Жидкость проходит по трубе, омываемой снаружи теплоносителем, например воздухом. Тепло воздуха передается ребрам, поступает к базовой части, затем к трубе.
Повышение тепловой эффективности в данном теплообменном аппарате достигается модификацией геометрии теплопередающей поверхности, приводящей, тем не менее, к недостаточному увеличению теплоотдачи. Большое количество сварных швов, сложная геометрия устройства ухудшают технологичность изготовления этих труб. Кроме того, большое количество сварных швов снижает надежность устройства, особенно при работе с агрессивными средами.
Для работы с агрессивными средами более пригоден теплообменник, включающий в себя трубу с внутренним оребрением [Патент РФ №2215962, F28F 1/40, опубл. 10.11.2003]. Труба содержит полый сердечник с продольными пазами, в которых изогнутые ребра зафиксированы таким образом, чтобы добиться создания упругих деформаций. Для этого трубчатую заготовку ориентируют относительно сердечника так, чтобы их продольные пазы были установлены относительно друг друга со смещением, далее вводят ребра в пазы заготовки и сердечника, поворачивают заготовку до полной выборки угла. Но при создании крупных теплообменных аппаратов данным способом изготовления теплообменной трубы возникают существенные технологические трудности. К тому же движение теплоносителя по прямому каналу не обеспечивает достаточной интенсификации теплообмена.
Известен охладитель текучей среды [Патент США №4345644, 28F 1/42, опубл. 24.08.82], принятый за прототип. Охладитель имеет корпус с несколькими проходными каналами, отстоящими один от другого по окружности. Каналы соединены в зонах переднего и заднего концов для образования непрерывного циркуляционного контура, в котором текучая среда из первого проходного канала поступает в выходной канал через промежуточные проходные каналы. Охладитель имеет также продольные внутренние и внешние ребра, выполненные монолитными за одно целое с корпусом.
К недостаткам данного устройства можно отнести
- сложную геометрию устройства;
- выполнение устройства монолитным, что усложняет его ремонт и делает невозможным замену вышедших из строя элементов конструкции;
- при больших расходах охлаждаемой жидкости из-за увеличения диаметров как наружный, так и центральной вставки внутренняя часть этой вставки образовывает "паразитический объем", который не участвует в тепловом процессе, но занимает производственные площади;
- функциональная узость устройства (только в качестве охладителя).
Целью изобретения является интенсификация теплообмена в теплообменнике при упрощении его изготовления и повышении ресурса работы при полном использовании всего объема теплообменника, а также расширение функциональности устройства.
Поставленная цель достигается тем, что в теплообменнике, содержащем корпус, имеющий цилиндрические внешнюю и внутреннюю стенки, соединенные между собой радиальными перегородками, образующими проходные камеры, расположенные одна за другой по окружности и соединенные между собой в зонах противоположных концов с образованием непрерывного циркуляционного контура, теплообменные пластины, расположенные внутри камер, и торцевые крышки, одна из которых имеет входное, а другая - выходное отверстия, внутренняя стенка корпуса выполнена в виде центральной вставки с расположенным в ней теплообменным элементом, входное отверстие расположено коаксиально центральной вставке, а радиальные перегородки и теплообменные пластины закреплены внутренними концами в продольных пазах, выполненных на наружной поверхности центральной вставки, а их внешние концы изогнуты по дуге окружности и заключены в корпусе, при этом корпус снабжен теплообменной рубашкой. Радиальные перегородки и теплообменные пластины снабжены продольными температурными компенсаторами.
На фиг.1 показан продольный разрез теплообменника, на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1, на фиг.3 - сечение Б-Б на фиг.1, на фиг.4 - сечение В-В на фиг.1, на фиг.5 - схема движения теплоносителя в теплообменнике (развертка).
1
2
3
4
Теплообменник содержит корпус 1 (см. фиг.1) с верхней 2 и нижней 3 торцевыми крышками и цилиндрическими внешней стенкой 4 и внутренней стенкой, выполненной в виде центральной вставки 5. Между центральной вставкой 5 и внешней стенкой 4 корпуса 1 расположены радиальные перегородки 6 (см. фиг.2), которые образуют проходные камеры 7 (камеры 7, 7, 7 и 7 для четырехходового теплообменника (см. фиг.5)). Теплообменные пластины 8 размещены в камерах 7 и делят их на каналы 9 (см. фиг.2). На наружной поверхности центральной вставки 5 выполнены продольные пазы 10, в которых закреплены внутренние концы 11 радиальных перегородок 6, и продольные пазы 12, в которых закреплены внутренние концы 13 теплообменных пластин 8. Внешние концы 14 радиальных перегородок 6 и внешние концы 15 теплообменных пластин 8 изогнуты по дуге окружности и заключены в корпусе 1, обеспечивая плотное прилегание изогнутых концов к внешней стенке 4 корпуса 1.
1
Верхняя крышка 2 (см. фиг.1) имеет входное отверстие 16, которое расположено коаксиально центральной вставке 5. Нижняя крышка 3 имеет выходное отверстие 17. Верхняя крышка 2 и нижняя крышка 3 прижимают прокладки 18 и 19 соответственно к торцам радиальных перегородок 6, центральной вставки 5 и внешней стенки 4 корпуса 1. В верхней крышке 2 расположены перегородки 20 (см. фиг.3, 5), а в нижней крышке 3 - перегородки 21 (см. фиг.4, 5), контактирующие через прокладки 18 и 19 с соответствующими торцами радиальных перегородок 6. Для последовательного сообщения камер 7 в перегородке 20 верхней крышки 2 и перегородке 21 нижней крышки 3 выполнены отверстия 22. Внутренняя полость 23 центральной вставки 5 сообщается с камерой 7 (см. фиг.5) посредством отверстия 24, расположенного в стенке центральной вставки 5, с противоположного от входного отверстия 16 конца.
Внутри центральной вставки 5 (см. фиг.1) установлен теплообменный элемент 25, например, в виде трубы Фильда, с патрубком 26 входа хладагента и патрубком 27 выхода хладагента.
Толщина радиальных перегородок 6 выбирается из расчета их продольной устойчивости при уплотнении торцов камер 7 прокладками 18 и 19. Для компенсации температурных напряжений в радиальном направлении радиальные перегородки 6 (см. фиг.2) имеют компенсаторы 28, выполненные, например, в виде продольных гофр. Теплообменные пластины 8 в средней части имеют изгиб 29, являющийся тепловым компенсатором.
Корпус 1 снабжен теплообменной рубашкой 30.
Работа устройства на примере четырехходового теплообменника поясняется схемой движения теплоносителя, изображенной на фиг.5.
1
1
2
3
4
Теплоноситель через входное отверстие 16 попадает во внутреннюю полость 23 центральной вставки 5 и начинает охлаждаться теплообменным элементом 25 (в данном случае трубой Фильда), проходя вдоль центральной вставки 5. Далее, через отверстие 24 теплоноситель поступает в камеру 7, протекает по каналам 9 вдоль радиальных перегородок 6 и теплообменных пластин 8, омывая их. При этом осуществляется повторный теплообмен с теплообменной рубашкой 30 через внешнюю стенку 4 корпуса 1, теплообменные пластины 8, радиальные перегородки 6, отогнутые концы 14 радиальных перегородок 6 и отогнутые внешние концы 15 теплообменных пластин 8. Через отверстие 22 в перегородке 20 теплоноситель из камеры 7 поступает в камеру 7 и протекает по каналам 9 и через отверстие 22 в перегородке 21 поступает в камеру 7, далее в камеру 7 и на выход через выходное отверстие 17.
Наличие в конструкции теплообменника теплообменной рубашки 30 и теплообменного элемента 25 позволяет использовать предлагаемый теплообменник как в качестве нагревателя, так и в качестве охладителя.
Применение центральной вставки с теплообменным элементом позволяет интенсифицировать теплообменный процесс при полном использовании всего объема теплообменника.
Предложенная конструкция аппарата упрощает его ремонт и делает возможным замену вышедших из строя элементов конструкции, а также позволяет регулировать его производительность.