Теплообменник
Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в теплообменных аппаратах. Теплообменник содержит первый трубный участок, винтообразно закрученный в первую спираль для проведения первой рабочей среды теплоносителя, первая спираль и полученная из винтообразно закрученного второго трубного участка вторая спираль вложены одна в другую и соединены друг с другом, причем трубные участки соединены посредством трубного участка, который проходит между противоположными концами двух спиралей. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 12 ил.
Область техники
Изобретение относится к теплообменнику, содержащему трубный участок, винтообразно закрученный в спираль.
Уровень техники
Такой теплообменник известен из патента US 5502829. В этом известном теплообменнике спираль служит для проведения хладагента в качестве первой рабочей среды теплоносителя и расположена в окруженном вытянутым корпусом канале протекания, через который с помощью вентилятора подается воздух в качестве второй рабочей среды теплоносителя.
Проблема этого известного теплообменника состоит в том, что спираль препятствует воздушному потоку только на одной части поперечного сечения канала протекания. В свободном внутреннем пространстве спирали и, возможно, также между внешним пространством спирали и корпусом возникают более высокие скорости потоков, чем в непосредственной близости от спирали, и поэтому большое количество воздуха проходит через теплообменник, не приходя со спиралями в более тесный тепловой контакт. Другие части воздушного потока последовательно проходят вдоль многих витков спирали и при этом сильно нагреваются, тем самым эффективность теплообмена сильно понижается к заднему со стороны потока концу канала протекания.
Более компактный теплообменник по сравнению с указанным выше описан в патенте US 3524329. В таком теплообменнике труба, которая ведет хладагент, образует во множестве плоскостей, поперечно ориентированных к направлению потока воздуха в теплообменнике, спирали, которые связаны друг с другом в ряд и попеременно имеют левое или правое направление вращения. Однако изготовление такого теплообменника связано с большими затратами по сравнению с первым названным теплообменником, так как не возможно непрерывно наматывать трубу на сердечник.
Компактный теплообменник со спиралеобразными трубными участками с последовательным протеканием по ним хладагента описан также в патенте DE-OS 2136369. Этот известный теплообменник образован скрученной в спираль лентой, содержащей каналы для хладагента.
Осуществление изобретения
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы создать компактный, просто реализуемый теплообменник, а также способ его изготовления.
С одной стороны, задача решена за счет теплообменника, имеющего первый трубный участок, закрученный винтообразно в первую спираль для проведения первой рабочей среды теплоносителя, причем первая спираль, а также вторая спираль, полученная винтообразно закрученным вторым трубным участком, вложены одна в другую и соединены друг с другом по потоку проходящей через них среды.
С другой стороны, задача решена за счет способа изготовления определенного выше теплообменника, у которого одна труба наматывается вокруг первого сердечника, чтобы образовать первую спираль, а имеющий щель второй сердечник, по меньшей мере через одну щель которого может происходить подача и отвод спирали, располагается вокруг первой спирали, а из той же самой трубы на втором сердечнике наматывают вторую спираль, окружающую первую спираль.
Трубные участки двух спиралей предпочтительно цельно и благоприятным для обтекания образом соединены друг с другом в одну непрерывную спираль.
Чтобы избежать острого сгиба трубы при переходе от первой ко второй спирали, две спирали закручены предпочтительно с противоположными направлениями вращения. В этом случае предпочтительно также трубные участки двух спиралей соединены друг с другом на соответственном одинаковом конце двух спиралей.
Альтернативно этому трубные участки двух спиралей могут быть соединены трубным участком, который проходит между противоположными концами двух спиралей. В этом случае направление вращения двух спиралей может быть одинаковым.
Далее могут быть предусмотрены третья и дальнейшие спирали, которые вложены в первую и вторую спирали.
Изготовление теплообменника особенно простое, если проходящие друг в друге спирали имеют остающееся неизменным в продольном направлении поперечное сечение, так что спирали, например, имеют в сечении форму кругового цилиндра или параллелепипеда.
Для повышения эффективности теплообменника может быть благоприятным то обстоятельство, если вложенные друга в друга спирали будут иметь сужающееся в продольном направлении поперечное сечение, например поперечное сечение в форме усеченного конуса.
Свободное пространство внутри самой внутренней спирали может быть использовано тем, что в нем будет расположена испарительная ванночка или сушилка.
Краткое описание фигур чертежей
Дальнейшие признаки и преимущества изобретения следуют из нижеследующего описания вариантов реализации со ссылкой на приведенные фигуры. На них показано следующее.
Фиг.1: вид в перспективе теплообменника согласно первому варианту реализации изобретения.
Фиг.2: вид сверху теплообменника по фиг.1 в осевом направлении.
Фиг.3: вид в перспективе измененного варианта реализации теплообменника по фиг.1.
Фиг.4: вид в перспективе третьего варианта реализации теплообменника.
Фиг.5: разрез по оси четвертого варианта реализации теплообменника.
Фиг.6 - фиг.11: стадии изготовления теплообменника согласно изобретению.
Фиг.12: одна стадия изготовления по фиг.10 для теплообменника по фиг.4.
Осуществление изобретения
Показанный на фиг.1 теплообменник содержит три цельные, сопряженные, выполненные из металлической трубы вроде винтовой пружины спирали 1, 2, 3, которые в настоящем варианте реализации проходят коаксиально к продольной средней оси М и внутри друг друга, таким образом вложены друг в друга со смещением и тем самым с экономией места и очень компактно. Для того чтобы чертеж был наглядным, представленные спирали 1, 2, 3 имеют по пять витков; на практике число витков в общем больше и поэтому размер теплообменника вдоль продольной средней оси М больше, чем поперек к ней.
Спирали 1, 2, 3 окружены представленным на чертеже во вскрытом виде корпусом 4, который служит для того, чтобы удерживать связанным проходящий вдоль спиралей 1, 2, 3 воздушный поток. На корпусе с помощью четырех распорок 5, из которых на фигуре видны только две, закреплен вентилятор, служащий для приведения в движение воздушного потока через корпус 4. Не видный на фигуре пропеллер вентилятора находится на обращенной от наблюдателя открытой обратной стороне корпуса 4. Двигатель 6 вентилятора расположен во внутреннем полом пространстве самой внутренней спирали 1 и тем самым представляет препятствие для потока, которое заставляет проходящий через корпус воздушный поток скользить вдоль спиралей 1, 2, 3 вплотную к ним.
Впускное подключение для хладагента обозначено поз.7. Из этого впускного подключения 7 хладагент сначала попадает на внутреннюю спираль 1, которое имеет правое направление вращения. Трубный участок 8 образует переход к средней левой спирали 2. Соответствующий переход от спирали 2 к внешней, снова правой, спирали 3 находится на обращенной от наблюдателя стороне теплообменника и не виден на фигуре. Хладагент выходит из теплообменника через выпускное подключение 9.
Для ясности структуры теплообменника на фиг.2 показан вид сверху трех спиралей 1, 2, 3 параллельно продольной средней оси М. На этом виде сверху также виден трубный участок 10, который на обращенном от наблюдателя конце конфигурации соединяет между собой спирали 2 и 3.
Второй вариант реализации теплообменника показан на фиг.3, причем в этом варианте реализации корпус, который не отличается от корпуса в первом варианте реализации, не показан на фигуре. Внутри самой внутренней спирали 1 находится плоская ванночка 11. Если теплообменник встроен в холодильный аппарат, то ванночка 11 служит в качестве испарительной ванночки, т.е. она принимает конденсат, который вытекает из испарителя холодильного аппарата, и испаряет его с помощью воздушного потока, проходящего через теплообменник. Поэтому при таком варианте реализации нет необходимости блокировать внутреннюю часть внутренней спирали 1 посредством двигателя вентилятора. При достаточной длине спиралей в полом пространстве внутренней спирали вполне может найтись пространство как для двигателя вентилятора, так и для ванночки 11.
Вместо ванночки 11 или, при необходимости, также вместе с ней внутри спирали 1 может быть размещена соединенная в ряд со спиралями 1, 2, 3 сушилка для хладагента.
На представленном на фиг.3 чертеже под основанием ванночки 11 имеется воздушный зазор, образованный между полом ванночки 11 и проходящими под ней прямолинейными отрезками 12 внутренней спирали, и поэтому нижние участки 12 могут обтекаться воздухом по всему их периметру. Альтернативно этому ванночка 11 также может быть закреплена непосредственно на этих нижних участках 12 и поэтому они могут отдавать тепло протекающего по ним хладагента через крепление прямо на ванночку 11.
Вложенные одна в другую спирали 1, 2, 3 по третьему варианту реализации теплообменника показаны на фиг.4. При таком варианте все спирали 1, 2, 3 имеют одинаковое направление вращения и спирали соответственно соединены друг с другом проходящим примерно в осевом направлении трубным участком 13 или 14, который проходит по существу в осевом направлении в промежуточном пространстве между двумя спиралями 1, 2 или 2, 3 от одного конца теплообменника до другого. Направление потока хладагента относительно продольной средней оси М во всех трех спиралях 1, 2, 3 одинаковое. То есть если воздух течет через теплообменник в направлении стрелки Р и подключения 7 и 9, как и в первом варианте реализации, служат в качестве впускного и выпускного подключений, то все три спирали 1, 2, 3 работают в противотоке.
Трубные участки 13, 14 при таком варианте реализации могут также брать на себя стабилизирующую функцию для расположения спиралей за счет того, что они при необходимости с помощью теплоизолированного промежуточного слоя закреплены на витках одной из двух спиралей, между которыми они проходят, или также на обеих спиралях.
Фиг.5 показывает осевой разрез по спиралям теплообменника согласно четвертому варианту реализации изобретения, причем лежащие над плоскостью разреза участки спиралей соответственно представлены как пунктирные контуры. Спирали 1, 2 проходят на конусных поверхностях, т.е. диаметр их витков уменьшается по направлению от одного продольного конца теплообменника к другому. Преимуществом такого расположения является то, что если воздух протекает через спирали параллельно к продольной средней оси, то все спирали, также и те, которые находятся на нижнем по потоку конце теплообменника, обтекаются воздухом, который еще не подогрет на другой спирали.
Способ изготовления теплообменника по настоящему изобретению пояснен с помощью фиг.6-11.
Фиг.6 показывает цилиндрический сердечник 15 и катушку 16 с тонкостенной металлической трубой, например, из меди. Свободный конец металлической трубы временно зафиксирован на поверхности сердечника 15. За счет одновременного вращения сердечника 15 и сдвига катушки 16 вдоль сердечника 15 металлическая труба разматывается с катушки 16 и наматывается равномерно отстоящими друг от друга витками на сердечник 15, как это показано на фиг.7. Так получается спираль 1.
После того как спираль 1 полностью выполнена, второй сердечник 17 в форме, имеющей продольную щель гильзы, надвигается в осевом направлении на первый сердечник 15 и спираль 1, причем свободный конец трубы выступает через щель 18, как это видно на фиг.8.
Если на стадии фиг.9 второй сердечник 17 полностью надвинут на первый сердечник 15, то и трубный участок 8, соединяющий спираль 1 с катушкой 16, проходит через щель 17.
Далее оба сердечника 15, 17 вращаются вместе, и одновременно катушка 16 сдвигается на сердечниках 15, 17 назад в ее изначальное положение. Таким образом, как это видно на фиг.10, получается вторая спираль 2.
Далее, как показано на фиг.11, третий, также имеющий щель сердечник 19, надвигается на сердечники 15, 17 и спирали 1, 2, причем снова свободный конец трубы и трубный участок 10 проходят через щель 20 сердечника 19. Вращением сердечников и сдвигом катушки 16 на сердечнике 19 образуется спираль 3. Так как этот процесс происходит таким же образом, что и наматывание спиралей 1 и 2, он более не представлен на фигурах. Очевидно, что в зависимости от потребности количество сердечников и получающихся отсюда спиралей в принципе может быть увеличено до любого желаемого количества.
Когда достигнуто желаемое количество спиралей, расцепляется временное крепление трубы на внутреннем сердечнике 15, и сердечники вынимаются.
Изготовление теплообменника, показанного на фиг.4 типа, происходит до стадии фиг.9 точно так же, как описано выше. Однако вместо того чтобы, как показано на фиг.10, непосредственно начать наматывание спирали 2 с противоположным направлением вращения, труба, как показано на фиг.12, обратно затягивается в щели 18 сердечника 17 по всей длине спирали 1, чтобы образовать описанный со ссылкой на фиг.4 участок 13, и в заключение спираль 2 наматывается с тем же самым направлением вращения, что и спираль 1. Для всех последующих спиралей сохраняется тот же способ.
1. Теплообменник, содержащий первый трубный участок, винтообразно закрученный в первую спираль (1) для проведения первой рабочей среды теплоносителя, отличающийся тем, что первая спираль (1) и полученная из винтообразно закрученного второго трубного участка вторая спираль (2, 3) вложены одна в другую и соединены друг с другом, причем трубные участки соединены посредством трубного участка (13, 14), который проходит между противоположными концами двух спиралей (1, 2, 3).
2. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что трубные участки двух спиралей (1, 2, 3) соединены друг с другом в единое целое.
3. Теплообменник по п.2, отличающийся тем, что две спирали (1, 2) закручены с противоположными направлениями вращения.
4. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что имеется по меньшей мере одна третья спираль, которая вложена в первую и вторую спирали.
5. Теплообменник по одному из пп.1-4, отличающийся тем, что спирали (1, 2, 3) вложены одна в другую концентрично.
6. Теплообменник по одному из пп.1-4, отличающийся тем, что спирали (1, 2, 3) имеют постоянное в продольном направлении поперечное сечение.
7. Теплообменник по одному из пп.1-4, отличающийся тем, что спирали имеют сужающееся в продольном направлении поперечное сечение.
8. Теплообменник по одному из пп.1-4, отличающийся тем, что внутри самой внутренней спирали (1) расположена испарительная ванночка или сушилка.
9. Способ изготовления теплообменника, заявленного в любом из предыдущих пунктов, при котором трубу наматывают вокруг первого сердечника (15), чтобы образовать первую спираль (1), вокруг первой спирали (1) располагают снабженный щелью второй сердечник (17) и из той же самой трубы на втором сердечнике (17) наматывают вторую спираль (2), окружающую первую спираль (1).
