Радиально-спиральный теплообменник

Изобретение относится к теплообменным аппаратам и может быть использовано в различных отраслях промышленности для передачи теплоты между потоками флюидов. Предложен теплообменник, состоящий из корпуса с патрубками подвода и отвода теплоносителей. Вдоль оси теплообменника установлены блоки теплообменных элементов с двумя периферическими распределительными коллекторами второго теплоносителя, образующие периферический и аксиальный коллекторы первого теплоносителя. Каждый из теплообменных элементов выполнен полым с нечетным количеством радиальных разрезов, в которых размещены поперечные перегородки, при этом стенки теплообменных элементов имеют радиально направленные дистанционирующие выступы с одной из сторон, которые попеременно образуют в наружной полости щелевые каналы для первого, а во внутренней полости - для второго теплоносителя. Технический результат - упрощение конструкции, исключение требований по компоновке, повышение среднего температурного напора. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к теплообменным аппаратам и может быть использовано в различных отраслях промышленности для передачи теплоты между потоками текучих сред.

Известен аппарат для проведения теплообменных и диффузионных процессов [RU 2075020, МПК F28D 7/04, F28D 9/00, опубл.10.07.1997 г.], содержащий вертикальный цилиндрический корпус с патрубками подвода и отвода теплоносителей, внутри которого установлен один или несколько (один над другим) блоков теплообменных элементов. Каждый блок сформирован из теплообменных элементов, представляющих собой попарно сваренные по контуру стенки, имеющие в поперечном сечении форму спирали Архимеда и образующие внутренний радиально-спиральный щелевой канал для одного из теплоносителей. Теплообменные элементы отделены друг от друга горизонтальными направляющими элементами, образующими наружные щелевые каналы для второго теплоносителя. Если теплообменник содержит более одного блока теплообменных элементов, то каждый блок снабжен патрубками для ввода и отвода теплоносителя, прокачиваемого через внутренний радиально-спиральный канал.

К недостаткам этого теплообменника относятся следующие:

- сложность конструкции теплообменника, содержащего несколько блоков теплообменных элементов, связанная с необходимостью его оснащения патрубками для межблочного вывода и ввода теплоносителя,

- большая высота теплообменника, содержащего несколько блоков теплообменных элементов, из-за его вертикальной компоновки,

- большое гидравлическое сопротивление теплообменника, содержащего несколько блоков теплообменных элементов, по линии второго теплоносителя из-за последовательного соединения последних.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является теплообменник Астановского радиально-спирального типа (варианты) [RU 2348882, МПК F28D 9/04, опубл. 10.03.2009 г.], содержащий вертикальный цилиндрический корпус с патрубками подвода и отвода теплоносителей, внутри которого вдоль вертикальной оси установлены один над другим два или более блоков теплообменных элементов, образующих периферийный кольцевой и центральный цилиндрический распределительные коллекторы (для первого теплоносителя), каждый блок сформирован из вертикально установленных (аксиальных при вертикальном направлении оси), прилегающих друг к другу теплообменных элементов, образующих кольцевой ряд вокруг вертикальной оси корпуса, каждый теплообменный элемент выполнен из двух соединенных друг с другом стенок с дистанционирующими выступами, имеющих в поперечном сечении форму спирали Архимеда, которые образуют во внутренней полости щелевой канал для одного из теплоносителей (для второго теплоносителя), причем внутренние полости теплообменных элементов всех блоков сообщаются с периферийным и центральным распределительными коллекторами, а дистанционирующие выступы теплообменных элементов образуют наружные вертикальные щелевые каналы для перемещения первого теплоносителя в аксиальном направлении, при этом между смежными блоками теплообменных элементов поочередно в периферийном и центральном распределительных коллекторах установлены горизонтальные перегородки. Кроме того, предпочтительно, каждый последующий блок выполняют с противоположным по сравнению с предыдущим блоком направлением кривизны теплообменных элементов.

Вариант теплообменника предусматривает дополнительное наличие промежуточных распределительных коллекторов, в которых установлены вертикальные цилиндрические перегородки для осуществления теплообмена между более, чем двумя теплоносителями.

Недостатками данного теплообменника является:

- сложность конструкции, связанная с наличием центральных распределительных коллекторов, связанных с внутренними полостями теплообменных элементов, что усложняет его изготовление,

- вертикальная компоновка, ограничивающая возможность размещения в помещениях, ограниченных по высоте,

- низкий средний температурный напор из-за перекрестноточного движения теплоносителей (первый теплоноситель движется аксиально, второй - радиально), снижающий температурный напор, что приводит к соответствующему увеличению площади теплообмена, массы и габаритов теплообменника.

Задачами настоящего изобретения являются: упрощение конструкции, исключение требований по компоновке, повышение среднего температурного напора.

Техническим результатом является:

- упрощение конструкции за счет применения теплообменных элементов, выполненных из двух стенок, имеющих нечетное количество радиальных разрезов, что позволяет исключить использование центральных распределительных коллекторов, связанных с внутренними полостями теплообменных элементов,

- исключение требований по компоновке теплообменника за счет произвольной ориентации его оси,

- повышение среднего температурного напора за счет обеспечения противоточного движения теплоносителей.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном теплообменнике, включающем цилиндрический корпус с патрубками подвода и отвода теплоносителей, внутри которого вдоль оси установлены блоки теплообменных элементов, образующие периферийный кольцевой и центральный цилиндрический распределительные коллекторы для первого теплоносителя, каждый блок сформирован из аксиально установленных, прилегающих друг к другу теплообменных элементов, образующих кольцевой ряд вокруг оси корпуса, каждый теплообменный элемент выполнен из двух соединенных друг с другом стенок с дистанционирующими выступами, имеющих в поперечном сечении форму спирали Архимеда и образующих во внутренней полости щелевой канал для второго теплоносителя, который связан с периферическим распределительным коллектором второго теплоносителя, а дистанционирующие выступы стенок теплообменных элементов образуют наружные щелевые каналы для перемещения первого теплоносителя, особенностью является то, что теплообменник оснащен по меньшей мере одним блоком теплообменных элементов с двумя периферическими распределительными коллекторами второго теплоносителя, теплообменные элементы выполнены с нечетным количеством радиальных разрезов, по меньшей мере одним, в которых поочередно в периферийном и центральном распределительных коллекторах установлены кольцевые поперечные перегородки, стенки теплообменных элементов с одной стороны оснащены радиально направленными дистанционирующими выступами, которые попеременно образуют в наружной полости щелевые каналы для первого, а во внутренней полости - для второго теплоносителя, соединенные с периферическими распределительными коллекторами.

При этом целесообразно каждую часть теплообменного элемента, отделенную радиальным разрезом, выполнять с противоположным направлением кривизны по сравнению с прилегающей частью, что обеспечивает снижение гидравлического сопротивления за счет сохранения направления закрутки потока теплоносителя.

При необходимости периферические распределительные коллекторы второго теплоносителя разных блоков выполняют сообщающимися друг с другом последовательно либо параллельно.

Оснащение теплообменника блоками теплообменных элементов с двумя периферическими распределительными коллекторами второго теплоносителя каждый, в которых теплообменные элементы выполнены с нечетным количеством радиальных разрезов, позволяет исключить использование центральных распределительных коллекторов второго теплоносителя, за счет чего упростить конструкцию теплообменника.

Выполнение каждой стенки теплообменного элемента с радиально или аксиально направленными дистанционирующими выступами с одной из сторон, которые попеременно образуют в наружной полости щелевые каналы для первого, а во внутренней полости - для второго теплоносителя, позволяет осуществить противоточное движение теплоносителя, за счет чего на 20-50% повысить средний температурный напор.

Предложенная конструкция исключает требования по ориентации оси теплообменника.

Теплообменник (фиг. 1) состоит из корпуса 1 с патрубками подвода и отвода 2 и 3 для первого теплоносителя и 4 и 5 для второго теплоносителя (условно показана вертикальная компоновка). Вдоль оси теплообменника установлены блоки 6 теплообменных элементов 7 с двумя периферическими распределительными коллекторами второго теплоносителя 8 и 9 (условно показан один блок), образующие периферический 10 и аксиальный 11 коллекторы первого теплоносителя. Каждый из теплообменных элементов 7 выполнен полым с нечетным количеством радиальных разрезов, в которых размещены поперечные перегородки (условно показан один разрез 12 и одна кольцевая поперечная перегородка 13), при этом стенки теплообменных элементов имеют дистанционирующие выступы 14 с одной из сторон, которые попеременно образуют в наружной полости 15 щелевые каналы для первого, а во внутренней полости 16 - для второго теплоносителя (условно показаны радиально направленные дистанцирующие выступы).

Предлагаемый теплообменник работает следующим образом. Первый теплоноситель I через патрубок 2 поступает в кольцевой периферический коллектор первого теплоносителя 10, далее радиально движется вдоль теплообменных элементов 7 по направлению от стенки к центру, поступает в аксиальный коллектор первого теплоносителя 11, огибает радиальную кольцевую перегородку 13, затем радиально движется вдоль теплообменных элементов 7 по направлению от центра к стенке, попадает в периферический кольцевой коллектор первого теплоносителя 10 и выводится II из патрубка 3. Второй теплоноситель III через патрубок 4 поступает в первый периферический распределительный коллектор второго теплоносителя 8, движется во внутренней полости теплообменных элементов 7 противотоком к первому теплоносителю, поступает во второй периферический распределительный коллектор второго теплоносителя 9 и выводится IV из патрубка 5.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет упростить конструкцию теплообменника, исключить требования по ориентации его оси, повысить средний температурный напор и может найти применение в различных отраслях промышленности.

1. Радиально-спиральный теплообменник, включающий цилиндрический корпус с патрубками подвода и отвода теплоносителей, внутри которого вдоль оси установлены блоки теплообменных элементов, образующие периферийный кольцевой и центральный цилиндрический распределительные коллекторы для первого теплоносителя, каждый блок сформирован из аксиально установленных, прилегающих друг к другу теплообменных элементов, образующих кольцевой ряд вокруг оси корпуса, каждый теплообменный элемент выполнен из двух соединенных друг с другом стенок с дистанционирующими выступами, имеющих в поперечном сечении форму спирали Архимеда и образующих во внутренней полости щелевой канал для второго теплоносителя, который связан с периферическим распределительным коллектором второго теплоносителя, а дистанционирующие выступы стенок теплообменных элементов образуют наружные щелевые каналы для перемещения первого теплоносителя, отличающийся тем, что теплообменник оснащен по меньшей мере одним блоком теплообменных элементов с двумя периферическими распределительными коллекторами второго теплоносителя, теплообменные элементы выполнены с нечетным количеством радиальных разрезов, по меньшей мере одним, в которых поочередно в периферийном и центральном распределительных коллекторах установлены кольцевые поперечные перегородки, стенки теплообменных элементов с одной стороны оснащены радиально направленными дистанционирующими выступами, которые попеременно образуют в наружной полости щелевые каналы для первого, а во внутренней полости - для второго теплоносителя, соединенные с периферическими распределительными коллекторами.

2. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что прилегающие части теплообменного элемента, отделенные радиальным разрезом, выполнены с противоположным направлением кривизны.

3. Теплообменник по пп. 1-2, отличающийся тем, что периферические распределительные коллекторы второго теплоносителя разных блоков выполнены сообщающимися друг с другом последовательно либо параллельно.