Усовершенствованный теплообменник и система осушения, содержащая такой теплообменник
Заявлена группа изобретений, которая относится к системе осушения сжатого воздуха. Предложен теплообменник (1), который содержит охладитель/нагреватель (2), испаритель (3) и сепаратор (4) конденсата, снабженный входными линиями (21i, 22i, 31i, 32i, 41i) и выходными линиями (21u, 22u, 31u, 32u, 41u), через которые потоки проходят во встречном направлении (в противотоке) относительно друг друга для обеспечения проходящего через охладитель/нагреватель (2) входящего потока горячего и влажного воздуха (А1) и исходящего потока охлажденного воздуха (А4). Охладитель/нагреватель (2), испаритель (3) и сепаратор (4) конденсата являются независимыми друг от друга блоками, соединенными средствами (8) для образования моноблочного корпуса (11), на внешней поверхности (12) которого предусмотрены входные линии (21i, 22i; 31i, 32i; 41i) и выходные линии (21u, 22u; 31u, 32u; 41u). Первый канал (5) соединяет выходную линию (41u) со второй входной линией (22i); второй канал (6) соединяет первую выходную линию (21u) с первой входной линией (31i) и третий канал (7) соединяет первую выходную линию (31u) с первой входной линией (41i). Каналы (5, 6, 7) выступают от внешней поверхности (12), которая ограничивает моноблочный корпус (11). Техническим результатом изобретения является реализация теплообменника, содержащего функциональные элементы, каждый из которых представляет самостоятельный элемент, реализованный независимо от других в соответствии с его собственным технологическим циклом. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 11 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к противоточному теплообменнику и предпочтительно, но не только, к теплообменнику типа с внешним оребрением, в частности выполненному с возможностью осушения сжатого воздуха.
Изобретение также относится к системе осушения сжатого воздуха, использующей теплообменник согласно изобретению.
Уровень техники
Как известно, в системах выработки сжатого воздуха воздух, выходящий из компрессора, должен быть надлежащим образом осушен для устранения влаги, содержащейся в нем из-за конденсации, во время адиабатической декомпрессии, которой он подвергается при использовании.
Для этой цели используются осушители непрерывного действия с циклом охлаждения с непосредственным испарением, которые по существу содержат противоточный теплообменник, в котором горячий и влажный сжатый воздух, поступающий из компрессора, охлаждается и осушается до его подачи потребителям.
Согласно предшествующему уровню техники, теплообменники описываемого типа состоят из двух теплообменных блоков и блока сепаратора конденсата, которые эффективно взаимодействуют и которые содержат:
- охладитель/нагреватель;
- охлаждающий испаритель воздуха, поступающего из охладителя/нагревателя;
- сепаратор конденсата, в котором влага, содержащаяся в воздухе, поступающем из испарителя, конденсируется в виде больших капель и удаляется.
В частности, нагреватель/охладитель в значительной степени предварительно охлаждает горячий и влажный сжатый воздух, поступающий из подающей трубы компрессора посредством противоточного теплообмена с холодным и осушенным сжатым воздухом, поступающим из сепаратора конденсата.
Испаритель, в свою очередь, принимает на входе предварительно охлажденный воздух, выходящий из охладителя/нагревателя, и охлаждает его до требуемой точки конденсации посредством теплообмена с охлаждающей жидкостью, которая циркулирует в противотоке в самом испарителе.
Таким образом, предварительно охлажденный воздух, так же, как и дальнейший процесс охлаждения, также подвергается процессу осушения.
Наконец, холодный воздух поступает в сепаратор конденсата, в котором микроскопические капли воды, сформировавшиеся в испарителе, собираются в нижней части в виде воды.
Затем осушенный холодный воздух поступает в охладитель/нагреватель, в котором, как было упомянуто выше, он в значительной мере предварительно охлаждает горячий и влажный сжатый воздух, попадающий в подающую трубу компрессора.
Затем холодный и осушенный воздух выходит из охладителя/нагревателя и может быть доставлен потребителям.
Описанные теплообменники известного типа, несмотря на то что имеют возможность подачи охлажденного и осушенного воздуха в условиях, адаптированных для удовлетворения потребностей потребителей, тем не менее имеют некоторые признаваемые недостатки и ограничения.
Прежде всего, согласно предшествующему уровню техники, функциональные элементы, образующие теплообменник и которые, как упоминалось ранее, содержат охладитель/нагреватель, испаритель и сепаратор конденсата, изготовлены в едином блоке, а все каналы и проходные линии, которые соединяют друг с другом охладитель/нагреватель, испаритель и сепаратор конденсата, таким образом являются внутренними по отношению у указанному блоку.
Таким образом, качество соединений и уплотнений может быть проконтролировано только после завершения сборки.
Кроме того, поскольку после завершения сборки теплообменник представляет собой единый функциональный блок, будет невозможно определить то, в каком или в каких функциональных элементах, содержащихся в данном блоке, имеется возможная протечка или дефект уплотнения.
Наконец, возможные вмешательства с целью ремонта будут очень сложными и поэтому дорогими, так как оператор должен вмешаться в полностью собранный теплообменник, а это означает, что в случае протечки, предпочтительно сдать в утиль весь теплообменник.
Раскрытие сущности изобретения
Настоящее изобретение направлено на преодоление вышеперечисленных недостатков и ограничений.
В частности, первой целью изобретения является реализация теплообменника, содержащего функциональные элементы, каждый из которых представляет самостоятельный элемент, реализованный независимо от других в соответствии с его собственным технологическим циклом.
Другой целью является то, чтобы теплообменник согласно изобретению был реализован после формирования различных функциональных элементов, которые он содержит, путем механической сборки самих функциональных элементов.
Еще одной целью является также то, чтобы каналы, которые соединяют проходные линии различных функциональных элементов, были реализованы после сборки самих функциональных элементов.
Перечисленные цели достигаются с помощью теплообменника согласно основному пункту формулы изобретения, который будет упомянут далее.
Зависимые пункты формулы раскрывают другие особенности теплообменника согласно изобретению.
Преимущественно, теплообменник согласно изобретению является более простым и более рационально построенным по сравнению с аналогичными теплообменниками предшествующего уровня техники, так как он сперва предусматривает построение функциональных элементов, независимых друг от друга, и только после этого их сборку для реализации всего теплообменника.
Кроме того, преимущественно, каждый функциональный элемент может быть испытан по отдельности до сборки; таким образом становится возможным любое ремонтное вмешательство, что приводит к уменьшению ненужных расходов.
Еще одно преимущество заключается в получении более надежного изделия, что повышает вероятность достижения конструктивной, функциональной и качественной повторяемости теплообменника.
Наконец, блочность функциональных элементов и тот факт, что они могут быть испытаны до и после сборки, позволяет контролировать полный производственный цикл с улучшением качества конечного изделия.
Краткое описание чертежей
Перечисленные цели и преимущества будут более понятны в подробном описании теплообменника согласно изобретению, которое приводится ниже, в качестве неограничивающего примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
- на фиг. 1 показан вид в аксонометрии теплообменника согласно изобретению;
- на фиг. 2 показан вид сбоку теплообменника, показанного на фиг. 1;
- на фиг. 3 показан частично разнесенный покомпонентный вид теплообменника, показанного на фиг. 1;
- на фиг. 4 показан другой вид сбоку теплообменника, показанного на фиг. 1;
- на фиг. 5 показан другой частично разнесенный покомпонентный вид теплообменника, показанного на фиг. 1;
- на фиг. 6 показан еще один вид теплообменника, показанного на фиг. 1;
- на фиг. 7 показан вид в частичном разрезе теплообменника, показанного на фиг. 6;
- на фиг. 8 показан частично разнесенный покомпонентный вид теплообменника, показанного на фиг. 6;
- на фиг. 9 показан схематический вид в аксонометрии теплообменника согласно изобретению, разобранного на части, которые он содержит;
- на фиг. 10 показан другой вид в аксонометрии частично разобранного теплообменника согласно изобретению;
- на фиг. 11 показан вид в аксонометрии частично разобранного теплообменника, показанного на фиг. 1.
Осуществление изобретения
Теплообменник согласно изобретению представлен на фигурах 1-11, на которых он в целом обозначен позицией 1.
При рассмотрении конкретного примера на фигурах 1 и 9, видно, что он содержит три функциональных элемента, а именно - охладитель/нагреватель, в целом обозначенный позицией 2, испаритель, в целом обозначенный позицией 3, и сепаратор конденсата, в целом обозначенный позицией 4, которые механически соединены друг с другом и функционально связаны, как будет раскрыто далее.
Что касается охладителя/нагревателя 2, он внутри снабжен теплообменными поверхностями, которые выполнены так, что они определяют между собой два противоточных пути, которые содержат первый путь 21 для потока горячего влажного воздуха А1, который проходит между первой входной линией 21i и первой выходной линией 21u и второй путь 22 для потока осушенного холодного воздуха А4, который проходит между второй входной линией 22i и второй выходной линией 22u.
Что касается испарителя 3, он также внутри снабжен теплообменными поверхностями, выполненными так, что они определяют между собой два противоточных пути, которые содержат первый путь 31 для потока частично охлажденного влажного воздуха А2, поступающего из первой выходной линии 21u охладителя/нагревателя 2, и который проходит между первой входной линией 31i и первой выходной линией 31u, и второй путь 32 для охлаждающей жидкости Fr, поступающей из внешнего источника, который проходит между второй входной линией 32i и второй выходной линией 32u.
И наконец, что касается сепаратора 4 конденсата, в нем предусмотрены поверхности конденсатора, выполненные так, что они определяют между собой путь 41 для охлажденного влажного воздуха A3, поступающего из первой выходной линии 31u испарителя 3 и, который проходит между входной линией 41i и выходной линией 41u.
Следует отметить, что касается охладителя/нагревателя 2 и испарителя 3, оба они относятся к устройствам типа с внешним оребрением с противотоками, который как таковой является известным для специалиста.
По этой причине, их внутренняя конструкция далее не будет описываться, так как при этом упоминались бы структуры, которые как таковые известны для специалиста.
То же самое можно сказать по отношению к сепаратору 4 конденсата, который относится к сепаратору известного коалесцентного типа.
Однако следует понимать, что теплообменные поверхности охладителя/нагревателя 2 и испарителя 3 и конденсирующие поверхности конденсатора 4 могут быть любого типа, известного в уровне техники.
Согласно изобретению, охладитель/нагреватель 2, испаритель 3 и сепаратор 4 конденсата являются независимыми друг от друга блоками и соединены вместе соединительными средствами 8 для образования моноблочного корпуса 11, на внешней поверхности 12 которого предусмотрены входные линии 21i, 22i; 31i, 32i; 41i и выходные линии 21u, 22u; 31u, 32u; 41u.
В частности, на фигурах 2-8 видно, что в теплообменнике 1 имеется первый канал 5, который соединяет выходную линию 41u сепаратора 4 конденсата со второй входной линией 22i охладителя/нагревателя 2.
Также предусмотрен второй канал 6, который соединяет первую выходную линию 21u охладителя/нагревателя 2 с первой входной линией 31i испарителя 3.
Наконец, предусмотрен третий канал 7, который соединяет первую выходную линию 31 и испарителя 3 с первой входной линией 41i сепаратора 4 конденсата.
Как можно заметить, каналы 5, 6, 7 выступают от внешней поверхности 12, которая ограничивает моноблочный корпус 11, и каждый из них определен между внешней поверхностью 12 моноблочного корпуса 11 и соответствующим кожухом 51, 61, 71. Видно, что каждый кожух имеет вогнутый профиль 51а, 61а, 71а, ограниченный периметральной кромкой 51b, 61b, 71b, которая герметично прикреплена к внешней поверхности 12 моноблочного корпуса 11 и снаружи к периметру каждой пары линий 22i, 41u; 21u, 31i; 31u, 41i посредством соединительных средств 8.
С этой точки зрения, определено, что соединительные средства 8 для соединения кожухов 51, 61, 71 с поверхностью 12 моноблочного корпуса 11 и охладителя/нагревателя 2, испарителя 3 и сепаратора 4 конденсата представляют собой сварные швы 81.
В другом варианте осуществления, который не раскрыт в настоящей заявке, соединительные средства могут представлять собой фланцевые соединения, который также могут быть присоединены посредством сварки или болтовым соединением.
Что касается кожухов 51, 61, 71, на фигурах видно, что они содержат:
- первый кожух 51, который наложен на вторую входную линию 22i охладителя/нагревателя 2 и на первую выходную линию 41u сепаратора 4 конденсата для определения первого канала 5;
- второй кожух 61, который наложен на первую выходную линию 21u охладителя/нагревателя 2 и на первую входную линию 31i испарителя 3 для определения второго канала 6;
- третий кожух 71, который наложен на первую выходную линию 31u испарителя 3 и на первую входную линию 41i сепаратора 4 конденсата для определения третьего канала 7.
Также видно, что вторая входная линия 22i и вторая выходная линия 22u охладителя/нагревателя 2, вместе со второй входной линией 32i и второй выходной линией 32u испарителя 3, соединены с соединительной муфтой 9, которая прикреплена, предпочтительно, но не обязательно, с помощью сварки соответственно к охладителю/нагревателю 2 и испарителю 3.
Таким образом, каждая соединительная муфта 9 может быть использована для соединения охладителя/нагревателя 2 и испарителя 3 с внешними трубами.
Также видно, что третий кожух 71 снабжен перфорированной муфтой 72, которая может поддерживать сливной кран (не показан), который соединяет третий канал 7 с внешней средой для слива, за счет силы тяжести, воды, которая образуется при коалесценции в сепараторе 4 конденсата.
Для этого, как показано на фигурах, теплообменник 1 снабжен кронштейном 15, имеющим отверстия для присоединения к опорной поверхности таким образом, чтобы располагаться в вертикальном положении, что способствует отводу водного конденсата за счет силы тяжести на дно третьего кожуха 71.
Далее будет раскрыта циркуляция воздуха в теплообменнике согласно изобретению в процессе его функционирования с конкретной ссылкой на разнесенный покомпонентный вид в аксонометрии теплообменника на фиг. 9.
Видно, что поток горячего и влажного воздуха А1, который поступает из подающей трубы компрессора (не показан на фигурах), входит в охладитель/нагреватель 2 через первую входную линию 21i и двигается по ней в соответствии с первым путем 21, пока не достигает первой выходной линии 21u.
Во время такого пути, на котором, как можно видеть, имеет место движение вдоль охладителя/нагревателя 2 в вертикальном восходящем направлении, поток А1 горячего и влажного воздуха встречается в противотоке с потоком холодного осушенного воздуха А4, который поступает из первого выходного отверстия 41u сепаратора 4 конденсата и движется вдоль охладителя/нагревателя 2 вниз от второй входной линии 22i ко второй выходной линии 22u.
Вдоль охладителя/нагревателя 2 потоки воздуха А1 и А4, как уже отмечалось, протекают в противоположных направлениях (в противотоке), не смешиваясь, так что поток горячего и влажного воздуха А1 охлаждается, отдавая тепло потоку холодного осушенного воздуха А4.
Таким образом, в охладителе/нагревателе 2 начальная часть теплообмена совершается, когда из первой выходной линии 21u охладителя/нагревателя 2 выходит поток частично охлажденного влажного воздуха А2, который проходит через второй канал 6, ограниченный первым кожухом 61, и подается в испаритель 3, причем поток осушенного холодного воздуха А4, который выходит из второй выходной линии 22u охладителя/нагревателя 2 может быть подан для использования.
Поток частично охлажденного влажного воздуха А2 поступает в испаритель 3 через его первую входную линию 31i и проходит через него сверху вниз, подвергаясь процессу охлаждения и осушения путем теплообмена в противотоке с охлаждающей средой Fr, содержащей охлаждающую жидкость, которая испаряется и проходит через испаритель 3, поступая из второй входной линии 32i, и выходит через вторую выходную линию 32u.
Охлаждающая жидкость может поступать из внешнего источника в жидкостно-паровом двухфазном состоянии и течет в испаритель 3 снизу вверх, всасываясь с помощью охлаждающего компрессора.
Охлаждающая жидкость испаряется благодаря скрытому и неустойчивому теплу, которое он поглощает из сжатого воздуха, охлаждаемого таким образом.
Таким образом, поток охлажденного влажного воздуха A3 выходит из первой выходной линии 31u испарителя 3, и далее, через третий канал 7, ограниченный третьим кожухом 71, поступает в сепаратор 4 конденсата через входную линию 41i.
Водяной пар, содержащийся в охлажденном влажном воздухе A3, начинает конденсироваться в третьем канале 7, продолжает конденсацию, поднимаясь в сепаратор 4 конденсата и, в конечном итоге, собирается путем сбрасывания в виде конденсационной воды в третьем кожухе 71, из которого она удаляется через дренажную муфту 72.
Таким образом, поток осушенного холодного воздуха А4 выходит из сепаратора 4 конденсата через выходную линию 41u и через первый канал 5, ограниченный первым кожухом 51, подается во вторую входную линию 22i охладителя/нагревателя 2, в котором цикл завершается.
Как уже отмечалось во вступительной части, изобретение также относится к системе осушения сжатого воздуха, вырабатываемого компрессором, причем такая система осушения содержит по меньшей мере один усовершенствованный теплообменник согласно изобретению.
Как следует из описания, становится понятно, что теплообменник согласно изобретению позволяет достичь всех целей и всех преимуществ, перечисленных во вступительной части.
Прежде всего, достигается цель изобретения по реализации теплообменника, содержащего независимые функциональные элементы, каждый из которых представляет собой независимый элемент, реализованный независимо от других в соответствии с его собственным производственным циклом.
Помимо этого, каналы, которые соединяют проходные линии различных функциональных элементов, выполняются после сборки самих функциональных элементов.
Это становится возможным, так как проходные линии жидкостей через функциональные элементы теплообменника реализуются на внешних поверхностях функционального блока, содержащего указанные функциональные элементы, когда они соединены друг с другом.
Помимо этого, такие линии сообщаются друг с другом через вышеупомянутые каналы, которые реализованы путем наложения, поверх и по периметру линий, которые должны быть соединены друг с другом, соответствующих вогнутых кожухов, закрепленных снаружи функционального блока, содержащего функциональные элементы, соединенные друг с другом.
Преимущественно, теплообменник согласно изобретению, таким образом, является более простым и более рациональным по конструкции по сравнению с аналогичными теплообменниками предшествующего уровня техники, так как он сперва предусматривает конструирование функциональных элементов, независимых друг от друга, и только после этого их сборку для реализации всего теплообменника.
Опять же, преимущественно, этот конкретный тип конструкции позволяет проводить испытания каждого функционального элемента по отдельности до сборки, что позволяет выявить любой неисправный функциональный элемент, чтобы его можно было отремонтировать или отбраковать.
Это, как уже отмечалось выше, невозможно в теплообменниках известного типа.
В теплообменнике согласно изобретению, в процессе эксплуатации, могут быть выполнены усовершенствования и изменения, не упомянутые в настоящем раскрытии, а также не показанные на чертежах.
При этом следует понимать, что, в случае если такие усовершенствования и изменения входят в объем нижеследующей формулы, все они должны рассматриваться охраняемыми настоящим патентом.
1. Теплообменник (1), в частности, выполненный с возможностью охлаждения и осушения воздуха, содержащий:
- охладитель/нагреватель (2), снабженный теплообменными поверхностями, выполненными так, что они определяют между собой два противоточных пути, которые включают в себя:
- первый путь (21) для потока горячего и влажного воздуха (А1), который проходит между первой входной линией (21i) и первой выходной линией (21u);
- второй путь (22) для потока холодного осушенного воздуха (А4), который проходит между второй входной линией (22i) и второй выходной линией (22u);
- испаритель (3), снабженный теплообменными поверхностями, выполненными так, что они определяют между собой два противоточных пути, которые включают в себя:
- первый путь (31) для потока частично охлажденного влажного воздуха (А2), поступающего из указанной первой выходной линии (21u) указанного охладителя/нагревателя (2), который проходит между первой входной линией (31i) и первой выходной линией (31u);
- второй путь (32) для охлаждающей жидкости (Fr), поступающей из внешнего источника, который проходит между второй входной линией (32i) и второй выходной линией (32u);
- сепаратор (4) конденсата, в котором предусмотрены поверхности конденсатора, выполненные так, что они определяют между собой путь (41) для охлажденного влажного воздуха (A3), поступающего из указанной первой выходной линии (31u) указанного испарителя (3), который проходит между входной линией (41i) и выходной линией (41u),
причем указанный охладитель/нагреватель (2), указанный испаритель (3) и указанный сепаратор (4) конденсата являются независимыми друг от друга блоками, соединенными соединительными средствами (8) для образования моноблочного корпуса (11), на внешней поверхности (12) которого предусмотрены указанные входные линии (21i, 22i; 31i, 32i; 41i) и указанные выходные линии (21u, 22u; 31u, 32u; 41u),
отличающийся тем, что содержит:
- первый канал (5), который соединяет указанную выходную линию (41u) указанного сепаратора (4) конденсата с указанной второй входной линией (22i) указанного охладителя/нагревателя (2);
- второй канал (6), который соединяет указанную первую выходную линию (21u) указанного охладителя/нагревателя (2) с указанной первой входной линией (31i) указанного испарителя (3);
- третий канал (7), который соединяет указанную первую выходную линию (31u) указанного испарителя (3) с указанной первой входной линией (41i) указанного сепаратора (4) конденсата,
причем указанные каналы (5, 6, 7) расположены так, что они выступают наружу от указанной внешней поверхности (12), которая ограничивает указанный моноблочный корпус (11).
2. Теплообменник (1) по п. 1, отличающийся тем, что указанные каналы (5, 6, 7) определены между указанной внешней поверхностью (12) указанного моноблочного корпуса (11) и кожухами (51, 61, 71) с вогнутым профилем (51а; 61а; 71а), каждый из которых имеет периметральную кромку (51b; 61b; 71b), которая герметично прикреплена к указанной внешней поверхности (12) указанного моноблочного корпуса (11) и снаружи к периметру каждой пары указанных линий (22i, 41u; 21u, 31i; 31u, 41i) через указанные соединительные средства (8).
3. Теплообменник (1) по п. 2, отличающийся тем, что указанные кожухи (51, 61, 71) содержат:
- первый кожух (51), который приложен к указанной второй входной линии (22i) указанного охладителя/нагревателя (2) и к указанной выходной линии (41u) указанного сепаратора (4) конденсата для определения указанного первого канала (5);
- второй кожух (61), который приложен к указанной первой выходной линии (21u) указанного охладителя/нагревателя (2) и к указанной первой входной линии (31i) указанного испарителя (3) для определения указанного второго канала (6);
- третий кожух (71), который приложен к указанной первой выходной линии (31u) указанного испарителя (3) и к указанной первой входной линии (41i) указанного сепаратора (4) конденсата для определения указанного третьего канала (7).
4. Теплообменник (1) по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что каждая из указанной второй входной линии (22i) и указанной второй выходной линии (22u) указанного охладителя/нагревателя (2) и указанной второй входной линии (32i) и указанной второй выходной линии (32u) указанного испарителя (3) соединена с соединительной муфтой (9), выполненной с возможностью соединения с соответствующей входной или отводящей трубой.
5. Теплообменник (1) по п. 4, отличающийся тем, что в указанном третьем кожухе (71) предусмотрена перфорированная муфта (72) для слива конденсата.
6. Теплообменник (1) по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что указанный охладитель/нагреватель (2), указанный испаритель (3) и указанный сепаратор (4) конденсата относятся к типу с внешним оребрением с противотоком.
7. Теплообменник (1) по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что указанный сепаратор (4) конденсата относится к коалесцентному типу.
8. Теплообменник (1) по п. 1 или 2, отличающийся тем, что указанные соединительные средства (8) представляют собой сварные швы (81).
9. Теплообменник (1) по п. 1 или 2, отличающийся тем, что указанные соединительные средства представляют собой фланцевые соединения.
10. Система осушения сжатого воздуха, содержащая по меньшей мере один теплообменник для охлаждения и осушения сжатого воздуха, вырабатываемого компрессорной установкой, отличающаяся тем, что указанный теплообменник выполнен по любому из пп. 1-9.
