Nothing Special   »   [go: up one dir, main page]

RU202931U1 - Улучшенный теплообменник - Google Patents

Улучшенный теплообменник Download PDF

Info

Publication number
RU202931U1
RU202931U1 RU2020140241U RU2020140241U RU202931U1 RU 202931 U1 RU202931 U1 RU 202931U1 RU 2020140241 U RU2020140241 U RU 2020140241U RU 2020140241 U RU2020140241 U RU 2020140241U RU 202931 U1 RU202931 U1 RU 202931U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
heat
channels
heat exchanger
spirals
power plants
Prior art date
Application number
RU2020140241U
Other languages
English (en)
Inventor
Евгений Николаевич Коптяев
Original Assignee
Евгений Николаевич Коптяев
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Евгений Николаевич Коптяев filed Critical Евгений Николаевич Коптяев
Priority to RU2020140241U priority Critical patent/RU202931U1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU202931U1 publication Critical patent/RU202931U1/ru

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28DHEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D9/00Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D9/04Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being formed by spirally-wound plates or laminae

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)

Abstract

Полезная модель относится к теплообменникам и предназначена для использования в разного рода энергетических установках для отвода тепла от теплоносителя.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 всего 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 предлагаемом решении обеспечивается эффективный теплообмен между двумя средами за счет применения спиральных каналов для протока упомянутых сред, выполненных с общими смежными стенками, причем не только между парами спиралей, но и между слоями спиралей.Результат использования предлагаемого решения заключается в росте эффективности теплообмена.

Description

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.
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. Теплообменник, содержащий цилиндрический корпус с каналами во внутренней его полости, выполненными в виде спиралей, число витков и направление закручивания спиралей совпадают, в центре цилиндрического корпуса имеется сквозной цилиндрический вырез. Каналы располагаются слоями с парой спиральных каналов в каждом слое, в парах спирали каналов повернуты на 180 градусов относительно друг друга в продольной оси, каналы имеют прямоугольное сечение, каналы в смежных витках двух спиралей имеют общую стенку, каналы в смежных слоях имеют общую стенку, причем подключение к горячему и холодному теплоносителю в парах спиральных каналов и между каналами в разных слоях чередуется, а отверстия подачи и выпуска теплоносителя каналов расположены с торцов цилиндрического корпуса.
На фиг. 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 фиг. 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 фиг. 2 полости изображают их объем в корпусе теплообменника, однако сами каналы - это пустоты в упомянутом корпусе спирального теплообменника.
На фиг. 3 показан спиральный теплообменник, в котором в целях наглядности выполнен вырез 1/4 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 фиг. 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 фиг. 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 фиг. 3, где был сделан вырез 1/4 из корпуса теплообменника. Данная конструкция является прообразом для предлагаемого решения.
На фигуре 6 показан внешний вид предлагаемого 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 фиг. 7 показан разрез предлагаемого решения 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 всем комплексом отличительных признаков решения: спиральной формой каналов, наличием двух пар каналов в каждом слое, причем каналы в паре сдвинуты по своей оси на 180 градусов между собой, горячий и холодный теплоносителя (знаки + и - условно на фиг. 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 предлагаемом решении участвуют не только вертикальные стенки, но и боковые - а рост числа слоев дает улучшение обмена теплом.
Заявленное решение является простым и промышленно применимым, представляя собой теплообменник симметричной конструкции.
Предлагаемое техническое решение является новым, и имеет следующие принципиальные отличия от прототипа:
каналы располагаются слоями с парой спиральных каналов в каждом слое, в парах спирали каналов повернуты на 180 градусов относительно друг друга в продольной оси;
каналы имеют прямоугольное сечение, каналы в смежных витках двух спиралей имеют общую стенку, каналы в смежных слоях имеют общую стенку;
подключение к горячему и холодному теплоносителю в парах каналов и между каналами в разных слоях чередуется;
отверстия подачи и выпуска теплоносителя каналов расположены с торцов цилиндрического корпуса.
Таким образом, вся совокупность существенных признаков полезной модели ранее неизвестна и приводит к новому техническому результату - повышению эффективности теплообмена.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 изображена форма полости спирального канала. На фиг. 2 изображена форма полостей двух спиральных каналов со сдвигом 180 градусов между собой. На фиг. 3 изображен внешний вид спирального теплообменника с вырезом в полость его корпуса. На фиг. 4 изображен внешний вид спирального теплообменника в сборе. На фиг. 5 изображено сечение в продольной плоскости спирального теплообменника. На фиг. 6 изображен внешний вид предлагаемого теплообменника с вырезом в полость его корпуса. На фиг. 7 изображено сечение предлагаемого теплообменника в продольной плоскости.
Список использованной литературы
1. Степанов О.А., Захаренко С.О. Основы трансформации теплоты. СПб.: Лань, 2019, 128 с.

Claims (1)

  1. Теплообменник, содержащий цилиндрический корпус с каналами во внутренней его полости, выполненными в виде спиралей, число витков и направление закручивания спиралей совпадают, в центре цилиндрического корпуса имеется сквозной цилиндрический вырез, отличающийся тем, что каналы располагаются слоями с парой спиральных каналов в каждом слое, в парах спирали каналов повернуты на 180 градусов относительно друг друга в продольной оси, каналы имеют прямоугольное сечение, каналы в смежных витках двух спиралей имеют общую стенку, каналы в смежных слоях имеют общую стенку, причем подключение к горячему и холодному теплоносителю в парах спиральных каналов и между каналами в разных слоях чередуется, а отверстия подачи и выпуска теплоносителя каналов расположены с торцов цилиндрического корпуса.
RU2020140241U 2020-12-08 2020-12-08 Улучшенный теплообменник RU202931U1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020140241U RU202931U1 (ru) 2020-12-08 2020-12-08 Улучшенный теплообменник

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020140241U RU202931U1 (ru) 2020-12-08 2020-12-08 Улучшенный теплообменник

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU202931U1 true RU202931U1 (ru) 2021-03-15

Family

ID=74874174

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020140241U RU202931U1 (ru) 2020-12-08 2020-12-08 Улучшенный теплообменник

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU202931U1 (ru)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU112807A1 (ru) * 1956-07-16 1957-11-30 П.В. Щербаков Спиральный ленточный теплообменник
RU2164640C1 (ru) * 1999-11-01 2001-03-27 Военный инженерно-технический университет Способ подготовки жидкого топлива к сжиганию и устройство для его осуществления
JP2010127513A (ja) * 2008-11-26 2010-06-10 Noritz Corp 熱交換器および温水装置
RU2391614C1 (ru) * 2008-11-18 2010-06-10 Общество с ограниченной ответственностью "Научный Центр "Керамические Двигатели" им. А.М. Бойко" (ООО "Центр Бойко") Противоточный пластинчатый матрично-кольцевой керамический рекуператор
RU143021U1 (ru) * 2014-02-13 2014-07-10 Владимир Германович Мазеин Трубчато-ленточный теплообменник и гофрированная лента для трубчато-ленточного теплообменника

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU112807A1 (ru) * 1956-07-16 1957-11-30 П.В. Щербаков Спиральный ленточный теплообменник
RU2164640C1 (ru) * 1999-11-01 2001-03-27 Военный инженерно-технический университет Способ подготовки жидкого топлива к сжиганию и устройство для его осуществления
RU2391614C1 (ru) * 2008-11-18 2010-06-10 Общество с ограниченной ответственностью "Научный Центр "Керамические Двигатели" им. А.М. Бойко" (ООО "Центр Бойко") Противоточный пластинчатый матрично-кольцевой керамический рекуператор
JP2010127513A (ja) * 2008-11-26 2010-06-10 Noritz Corp 熱交換器および温水装置
RU143021U1 (ru) * 2014-02-13 2014-07-10 Владимир Германович Мазеин Трубчато-ленточный теплообменник и гофрированная лента для трубчато-ленточного теплообменника

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102278907B (zh) 外凸式非对称型波节管换热器
RU2348882C1 (ru) Теплообменник астановского радиально-спирального типа (варианты)
CN103629952A (zh) 管道式换热器、其制造方法以及换热设备
CN109163586B (zh) 一种螺旋流道印刷电路板换热器
CN102620581B (zh) 一种换热器
RU201442U1 (ru) Теплообменник
CN109269334A (zh) 一种铸造式微通道紧凑式换热器及其制造方法
WO1986000395A1 (en) A heat exchanger
RU202931U1 (ru) Улучшенный теплообменник
CN208139899U (zh) 换热器及换热系统
RU203282U1 (ru) Конструкция спирального теплообменника
CN202599164U (zh) 一种换热器
CN214426496U (zh) 一种新型套管式换热器及其换热管
CN109945717B (zh) 一种高温冷却器换热管组
JP2023551878A (ja) コイル型熱交換器及びその製造方法
CN107246813A (zh) 管式换热装置
CN217275737U (zh) 一种换热器及其换热组件
CN209131440U (zh) 管排组合式换热器
CN108775828B (zh) 超导换热单元及其装置、系统
CN202598965U (zh) 一种全焊式经济器
CN113959242A (zh) 一种可用于三种流体同时换热的高效紧凑式热交换器
CN112577339A (zh) 一种紧凑式套管回热器
CN215063893U (zh) 绕管式换热器及制冷系统
CN112146477A (zh) 一种高效螺旋折流板管壳式换热器及换热方法
CN112595148A (zh) 基于泡沫金属的s型管束交叉流式管壳换热器