Спиральный теплообменник

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в рекуперативных теплообменных устройствах для текучих сред. В спиральном теплообменнике, содержащем ленточную спиральную навивку в виде спирали Архимеда, витки которой образуют общие стенки чередующихся между собой каналов для прохода соответственно горячего и холодного теплоносителей, вставки в каналах на торцовых сторонах спиральной навивки, входные и выходные патрубки для теплоносителей, центральное тело-керн, герметизирующие прокладки, при этом спиральная навивка в виде спирали Архимеда выполнена путем сворачивания вокруг оси сгиба одной ленты, в каналах между витками спиральной навивки в направлении оси сгиба ленты размещены полосовые герметизирующие проставки, вставки в каналах на торцовых сторонах спиральной навивки выполнены прерывистыми из элементов длиной, несколько большей или равной длине оборота соответствующих витков спиральной навивки, и с расстоянием между смежными элементами, несколько меньшим или равным длине оборота соответствующих витков спиральной навивки, входные и выходные патрубки для теплоносителей размещены попарно на торцовых сторонах спиральной навивки; полосовые герметизирующие проставки в каналах между витками спиральной навивки прошиты стяжными шпильками; концы элементов вставок в каналах на торцовых сторонах спиральной навивки прошиты стяжными спицами, на торцовых сторонах центрального тела-керна имеются резьбовые хвостовики. Технический результат - упрощение конструкции и обеспечение возможности увеличения единичной тепловой мощности устройства. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к рекуперативным теплообменным устройствам для текучих сред и может быть использовано в химической и пищевой промышленности, нефтегазопереработке, энергетике и других отраслях техники для нагрева и охлаждения газов и жидкостей.

Известные теплообменные аппараты с поверхностью теплопередачи изготовленной из листового материала [1] имеют низкую удельную металлоемкость и высокий коэффициент унификации по отношению к широко используемым кожухотрубчатым теплообменникам. Это и ряд других преимуществ позволяют отнести теплообменники с листовой поверхностью теплопередачи к разряду эффективных и перспективных устройств.

Известны пластинчатые теплообменники с теплопередающей поверхностью из тонких теплопроводящих листов [2]. Параллельно расположенные теплопроводящие листы в пластинчатых теплообменниках образуют щелевые каналы для прохода горячего и холодного теплоносителей. Малые поперечные размеры щелевых каналов способствуют повышенной интенсивности теплообмена теплоносителей, что в совокупности с малой толщиной теплопроводящих листов обеспечивает повышенную компактность и малую металлоемкость известных пластинчатых теплообменников. Недостатком таких теплообменников является их высокое гидравлическое сопротивление, необходимость использования специального технологического оборудования при изготовлении.

Известен спиральный теплообменник с теплопередающей поверхностью в виде двухзаходной цилиндрической спирали внутри корпуса, на котором установлены подводящие и отводящие патрубки, полости которых связаны с соответствующими проточными каналами для теплоносителей [3]. Известный спиральный теплообменник имеет повышенную интенсивность теплообмена закрученных потоков теплоносителей. Недостатком его является высокое гидравлическое сопротивление движению теплоносителей, сложность изготовления двухзаходной цилиндрической спирали из листового материала и трудность обеспечения герметичного соединения цилиндрической спирали с корпусом для исключения перетоков между теплоносителями.

Известен спиральный теплообменник, содержащий ленточную спиральную навивку в виде спирали Архимеда, витки которой образуют общие стенки чередующихся между собой каналов для прохода соответственно горячего и холодного теплоносителей, вставки в каналах на торцовых сторонах спиральной навивки, входные и выходные патрубки для теплоносителей, центральное тело - керн, герметизирующие прокладки [4] - прототип. Достоинствами известного спирального теплообменника является его сравнительно низкая удельная материалоемкость и малая загрязняемость отложениями на стенках поверхности теплопередачи. Недостатком является сложность изготовления. В значительной степени это обусловлено тем, что для образования спиральных каналов нужно сворачивать в рулон одновременно два листа, обеспечивая постоянный зазор между витками навивки. Внутренние концы сворачиваемых двух листов необходимо соединить перегородкой, разграничивающей полости горячего и холодного теплоносителей. Обе эти технологические операции трудно осуществить. К недостаткам относится и то, что для прохода каждого теплоносителя спиральная навивка содержит только один канал. Данное обстоятельство служит ограничением расходов теплоносителей и единичной тепловой мощности спирального теплообменника.

Техническая проблема, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в упрощении конструкции и в обеспечении возможности увеличения единичной тепловой мощности устройства.

Поставленная проблема решается тем, что спиральный теплообменник, содержащий ленточную спиральную навивку в виде спирали Архимеда, витки которой образуют общие стенки чередующихся между собой каналов для прохода соответственно горячего и холодного теплоносителей, вставки в каналах на торцовых сторонах спиральной навивки, входные и выходные патрубки для теплоносителей, центральное тело - керн, герметизирующие прокладки, имеет спиральную навивку в виде спирали Архимеда, выполненную путем сворачивания вокруг оси сгиба одной ленты, в каналах между витками спиральной навивки в направлении оси сгиба ленты размещены полосовые герметизирующие проставки, вставки в каналах на торцовых сторонах спиральной навивки выполнены прерывистыми из элементов длиной несколько большей или равной длине оборота соответствующих витков спиральной навивки и с расстоянием между смежными элементами несколько меньшим или равным длине оборота соответствующих витков спиральной навивки, входные и выходные патрубки для теплоносителей размещены попарно на торцовых сторонах спиральной навивки; полосовые герметизирующие проставки в каналах между витками спиральной навивки прошиты стяжными шпильками; концы элементов вставок в каналах на торцовых сторонах спиральной навивки прошиты стяжными спицами, на торцовых сторонах центрального тела -керна имеются резьбовые хвостовики.

В отличие от известного устройства [4], исполнение спиральной навивки в виде спирали Архимеда путем сворачивания из одной ленты, размещение в каналах между витками спиральной навивки в направлении оси сгиба ленты полосовых герметизирующих поставок, выполнение вставок в каналах на торцовых сторонах спиральной навивки прерывистыми, состоящими из элементов длиной несколько большей или равной длине оборота соответствующих витков спиральной навивки и с расстоянием между смежными элементами несколько меньшим или равным длине оборота соответствующих витков спиральной навивки, размещение входных и выходных патрубков попарно на торцовых сторонах спиральной навивки, приводит к упрощению конструкции и повышению ее технологичности при изготовлении, так как сворачивать в рулон одну ленту значительно проще, чем одновременно две ленты, обеспечивая при этом постоянный зазор между витками. Каждый из теплоносителей протекает через спиральную навивку параллельными потоками по многим каналам между витками навивки, что дает возможность за счет развития суммарной площади поперечного сечения каналов, например, путем увеличения их количества при фиксированном расстоянии между витками спиральной навивки, обеспечивать высокие расходы теплоносителей и соответственно увеличивать единичную тепловую мощность устройства.

Прошивка стяжными шпильками герметизирующих проставок в каналах между витками спиральной навивки обеспечивает требуемую герметичность каналов для горячего и для холодного теплоносителей и исключает взаимные перетоки теплоносителей при разных их давлениях.

Прошивка стяжными спицами концов элементов вставок в каналах на торцовых сторонах спиральной навивки обеспечивает фиксацию и закрепление элементов вставок по месту расположения.

Наличие стяжных шпилек и стяжных спиц позволяет обеспечить постоянство зазора (ширины каналов) между витками спиральной навивки, повышает жесткость спирального теплообменника и дает возможность отказаться от использования сложных в изготовлении дистанционирующих штифтов и других дистанционирующих элементов в каналах между витками спиральной навивки, применяющихся в известных аналогичных устройствах.

Резьбовые хвостовики на торцовых сторонах центрального тела - керна выполняют функцию дополнительного крепежного средства для входных и выходных патрубков, размещенных попарно на торцовых сторонах спиральной навивки. Резьбовое крепление входных и выходных патрубков позволяет достаточно просто производить демонтаж патрубков и выполнять очистку от возможных загрязнений поверхности стенок каналов спиральной навивки.

Спиральный теплообменник может работать как по схеме противотока, так и по схеме прямотока движения теплоносителей.

Таким образом, совокупность отличительных признаков изобретения позволяет решить поставленную проблему.

Сопоставительный анализ заявляемого технического решения с прототипом показывает, что заявляемое устройство соответствует критерию изобретения «новизна». Известные аналогичные устройства имеют сложную конструкцию и небольшие единичные тепловые мощности. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию изобретения «существенные отличия».

На фиг. 1 показан разрез спирального теплообменника; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - вид снизу на фиг. 1.

Спиральный теплообменник содержит спиральную навивку 1, выполненную из одного листа в виде спирали Архимеда. В каналах 2 между витками 3 спиральной навивки 1 в направлении ее оси размещены полосовые герметизирующие проставки 4. Прерывистые вставки в каналах 2 на торцовых сторонах спиральной навивки 1 состоят из элементов 5, расположенных на определенных расстояниях друг от друга. На торцовых сторонах спиральной навивки 1 попарно размещены входные и выходные патрубки 6, 7, 8 и 9 для теплоносителей. Внутри спиральной навивки 1 расположено центральное тело - керн 10, на торцовых сторонах которого имеются резьбовые хвостовики 11. Полосовые герметизирующие проставки 4 прошиты стяжными шпильками 12, а стяжными спицами 13 прошиты концы элементов 5 вставок в каналах 2 на торцовых сторонах спиральной навивки 1. На сторонах полосовых герметизирующих проставок 4, примыкающих к виткам 3 спиральной навивки 1, имеются герметизирующие прокладки 14 из упругого материала. Стяжка спиральной навивки 1 шпильками 12 осуществляется с помощью полосовой накладки 15. Входные и выходные патрубки 6, 7, 8 и 9 в местах резьбового крепления со спиральной навивки 1 имеют герметизирующие прокладки 16.

Работа спирального теплообменника по схеме противотока осуществляется следующим образом. Горячий теплоноситель поступает во входной патрубок 7 и проходит в открытые части каналов 2, не имеющих под патрубком 7 элементов 5 вставок на нижней торцовой стороне спиральной навивки 1. В каналах 2 горячий теплоноситель распределяется по всей площади их поперечных сечений, которые имеют форму разомкнутых спиралей в один оборот и, перемещаясь вверх по направлению оси спиральной навивки, передает тепло через стенки в процессе теплопередачи холодному теплоносителю, движущемуся в смежных каналах 2 спиральной навивки 1. Достигнув верхней торцевой стороны спиральной навивки горячий теплоноситель проходит через открытые части каналов 2, не имеющих элементов 5 вставок под патрубком 8 и через этот патрубок удаляется из спирального теплообменника.

Перемещаясь встречно к горячему теплоносителю, холодный теплоноситель поступает через патрубок Р, распределяется по площади поперечного сечения соответствующих каналов 2 в спиральной навивке 1 и, перемещаясь в каналах сверху вниз, нагревается, воспринимая тепло в процессе теплопередачи через разделяющие стенки от горячего теплоносителя, движущегося в смежных каналах 2. Нагретый холодный теплоноситель далее поступает в полость патрубка 7 и через него выводится из спирального теплообменника.

При работе спирального теплообменника по схеме прямотока подача горячего и холодного теплоносителей осуществляется через патрубки 6 и 7 или 8 и 9, а вывод соответственно через 8 и 9 или 6 и 7.

Компенсация температурных расширений и обусловленных им термических напряжений в элементах спирального теплообменника осуществляется за счет упругих свойств материалов, из которых изготовлены элементы, и геометрической формы данных элементов, обеспечивающую им определенную свободу расширения и сжатия при изменении температуры.

В качестве материала листа для спиральной навивки может использоваться металл или пластмасса толщиной от долей миллиметра до нескольких миллиметров. Возможно изготавливать спиральный теплообменник с малой шириной каналов для прохода теплоносителей, достигающей 1-2 мм и меньше. В этом случае спиральный теплообменник переходит в категорию микроканальных теплообменников, обладающих целым рядом преимуществ и имеющих большие перспективы использования во многих отраслях промышленности [5].

Пример исполнения. Спиральный теплообменник используется в качестве теплоутилизатора в приточно-вытяжной вентиляционной системе производственного помещения с воздухообменом 32000 м3/ч. Вытяжной воздух в теплоутилизаторе охлаждается от температуры +27°С до температуры +2°С, нагревая противоточный поток приточного воздуха от температуры -5°С до +20°С. Теплоутилизатор выполнен из листа поликарбоната толщиной 0,25 мм. Расстояние между витками (ширина каналов) спиральной навивки 5 мм. Средний диаметр центрального тела - керна составляет 0,1 м, диаметр спиральной навивки - 1,6 м. Необходимую тепловую мощность 235 кВт теплоутилизатор обеспечивает при длине каналов (расстояние между торцами спиральной навивки), равной 3 м. Гидравлические потери давления каждого из потоков теплоносителей на пути следования от входного до выходного патрубков составляет 900 Па.

Значительно сократить длину каналов теплоутилизатора возможно путем оребрения поверхности витков навивки или размещения в каналах гофрированных листов (насадка), что является достаточно разработанным приемом [6].

Предлагаемое устройство имеет следующие преимущества:

- конструктивная простота и технологичность в изготовлении;

- высокая компактность и низкая материалоемкость;

- высокая ремонтопригодность;

- сравнительно легкая очищаемость от загрязнений;

- хорошая самокомпенсация температурных напряжений.

Источники информации

1. Поникаров И.И., Гайнуллин М.Г. Машины и аппараты химических производств и нефтегазопереработки. Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Альфа-М, 2006. С. 153-166, рис. 2.35-2.54.

2. Машины и аппараты химических производств / А.С. Тимонин, Б.Г. Болдин, В.Я. Борщев, Ю.И. Гусев и др. // Под общей редакцией А.С. Тимонина. - Калуга: Изд-во Н.Ф. Бочкаревой, 2008. С. 486, рис. 6.1.3.1.

3. Патент RU №2687669 С1 МПК F28D 1/047. Опубл. 2019.05.15. Бюл. №14.

4. Поникаров И.И., Гайнуллин М.Г. Машины и аппараты химических производств и нефтегазопереработки. Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Альфа - М, 2006. С. 165, рис. 2.52.

5. Особенности гидродинамики и теплообмена при течении в микроканальных технических устройствах / Е.П. Валуева, А.Б. Гаряев, А.В. Клименко. - М.: Издательский дом МЭИ, 2016. С. 8.

6. Коваленко Л.М., Глушков А.Ф. Теплообменники с интенсификацией теплоотдачи. - М.: Энергоатомиздат, 1986. с. 167-169.

1. Спиральный теплообменник, содержащий ленточную спиральную навивку в виде спирали Архимеда, витки которой образуют общие стенки чередующихся между собой каналов для прохода соответственно горячего и холодного теплоносителей, вставки в каналах на торцовых сторонах спиральной навивки, входные и выходные патрубки для теплоносителей, центральное тело-керн, герметизирующие прокладки, отличающийся тем, что спиральная навивка в виде спирали Архимеда выполнена путем сворачивания одной ленты, в каналах между витками спиральной навивки в направлении оси сгиба ленты размещены полосовые герметизирующие проставки, вставки в каналах на торцовых сторонах спиральной навивки выполнены прерывистыми из элементов длиной, несколько большей или равной длине оборота соответствующих витков спиральной навивки, и с расстоянием между смежными элементами, несколько меньшим или равным длине оборота соответствующих витков спиральной навивки, входные и выходные патрубки для теплоносителей размещены попарно на торцовых сторонах спиральной навивки.

2. Спиральный теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что полосовые герметизирующие проставки в каналах между витками спиральной навивки прошиты стяжными шпильками.

3. Спиральный теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что концы элементов вставок в каналах на торцовых сторонах спиральной навивки прошиты стяжными спицами.

4. Спиральный теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что на торцовых сторонах центрального тела-керна имеются резьбовые хвостовики.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в рекуперативных теплообменных устройствах. В многоходовом спиральном теплообменнике, включающем ленточную спиральную навивку, состоящую из витков, образующих общие стенки чередующихся между собой каналов для прохода соответственно горячего и холодного теплоносителей, дистанционные вставки в каналах на торцовых сторонах спиральной навивки, входные и выходные патрубки, центральное тело-керн, размещенные между витками спиральной навивки перегородки, в совокупности образующие радиальные стенки обособленных проточных зон в спиральной навивке, при этом количество образованных перегородками радиальных стенок и проточных зон между ними равно числу ходов теплоносителей, одна из радиальных стенок выполнена из перегородок, расположенных по всей ширине витков спиральной навивки, а другие радиальные стенки выполнены из укороченных перегородок, с образованием перетоков между проточными зонами, причем перетоки в радиальных стенках попеременно примыкают к одной и к другой боковым кромкам витков спиральной навивки, входные и выходные патрубки для горячего и холодного теплоносителей размещены на одной, при четном числе ходов теплоносителей, или обеих, при нечетном числе ходов, торцовых сторонах спиральной навивки попарно в границах проточной зоны, дистанционные вставки в каналах на торцовых сторонах спиральной навивки имеют разрывы, через которые полости входных и выходных патрубков для горячего и холодного теплоносителей соединены с соответствующими каналами проточных зон.

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано при гидроконверсии (например, гидрокрекинга тяжелого сырья) и гидрообработке (например, гидродеметаллизации, гидродеазотирования и/или гидродесульфурации остатка или газойляю) Объектом изобретения являются устройство и способ гидроконверсии или гидрообработки углеводородного сырья с применением, в частности, по меньшей мере одного спирального теплообменника (S-1), при этом упомянутый спиральный теплообменник является одноходовым теплообменником, образованным вертикальной камерой, в которой один или несколько пучков труб намотаны спирально вокруг центрального сердечника в виде нескольких расположенных друг над другом слоев, и выполнен с возможностью: нагревать и напрямую направлять смесь углеводородное сырье-поток водорода в реакционную секцию гидрообработки или гидроконверсии (R-1); и охлаждать реакционный эфлюент реакционной секции гидрообработки или гидроконверсии (R-1).

Объектом изобретения являются устройство и способ гидроконверсии или гидрообработки углеводородного сырья с применением, в частности, по меньшей мере одного спирального теплообменника (S-1), при этом упомянутый спиральный теплообменник является одноходовым теплообменником, образованным вертикальной камерой, в которой один или несколько пучков труб намотаны спирально вокруг центрального сердечника в виде нескольких расположенных друг над другом слоев, и выполнен с возможностью: нагревать и напрямую направлять смесь углеводородное сырье - поток водорода в реакционную секцию гидрообработки или гидроконверсии (R-1); и охлаждать реакционный эфлюент реакционной секции гидрообработки или гидроконверсии (R-1).

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в теплообменных устройствах для нагрева и охлаждения рабочих сред. Спирально-пластинчатый теплообменник содержит пластины с отверстиями для прохода горячего и холодного теплоносителей, большие и малые прокладки между теплопроводящими пластинами с образованием чередующихся четных и нечетных каналов для горячего и холодного теплоносителей, нажимные плиты с закрепленными на них штуцерами для теплоносителей, стягивающие шпильки, размещенные на кромках нажимных плит, имеет теплопроводящие пластины и нажимные плиты с контурами, выполненными по спирали, большие прокладки выполнены по спирали, в диаметральных плоскостях отверстий в теплопроводящих пластинах размещены перегородки, одним своим концом закрепленные на нажимной плите, а на другом их конце закреплены стягивающие резьбовые стержни, расположенные осесимметрично в штуцерах, между теплопроводящими пластинами установлены кольцевые проставки, проницаемые для теплоносителей.

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в рекуперативных теплообменных устройствах преимущественно однофазных теплоносителей. Изобретение заключается в выполнении дискового теплообменника, содержащего пакет из тонких теплопроводящих листов и нажимных пластин, имеющих форму дисков с отверстиями для прохода горячего и холодного теплоносителей, при этом прокладки из эластичного материала между тонкими теплопроводящими листами выполнены в виде непрерывной концентрической навивки с образованием спиральных щелевых каналов для теплоносителей, на концах которых имеются проточники, примыкающие к кромкам тонких теплопроводящих листов вокруг отверстий для прохода теплоносителей, и в отверстиях тонких теплопроводящих листов установлены дополнительные стягивающие шпильки.

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в тепломассообменных аппаратах. Предлагаемый аппарат содержит корпус с патрубками для первого и второго флюида, вдоль вертикальной оси которого установлены один над другим два блока тепломассообменных элементов, образующих периферийный и центральный распределительные коллекторы.

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для теплообмена между потоками флюидов, массообмена флюида с флюидом или твердым веществом, проведения химических процессов в условиях контроля температуры, и может быть использовано в различных отраслях промышленности. Предложен тепломассообменный блок, выполненный из вертикально установленных теплообменных элементов, изготовленных в виде изогнутых в радиальном направлении, равноотстоящих друг от друга сильфонов или гофрированных труб с поперечным сечением в форме прямоугольника со скругленными углами и аксиально направленной длинной стороной, сваренных между собой вертикальными швами и образующих кольцевой ряд вокруг вертикальной оси корпуса, каждый теплообменный элемент образует во внутренней полости радиальный канал, а смежные теплообменные элементы образуют между собой аксиальные каналы, кроме того, тепломассообменный блок оснащен герметизирующими элементами, отделяющими аксиальные и радиальные каналы и служащими для соединения тепломассообменного блока с другим тепломассообменным блоком и/или с корпусом аппарата, в качестве которых установлены внутренние крышка или втулка и наружные кольцо или втулка.

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в спиральных теплообменниках. В спиральном теплообменнике, образованном из по меньшей мере двух листов, проходящих по траектории в форме спирали вокруг общего центрального корпуса и разделенных с образованием по меньшей мере первого и второго по существу параллельных проточных каналов в форме спирали, проходящих и обеспечивающих сообщение по потоку между радиально внешним отверстием и радиально внутренним отверстием, центральный корпус содержит корпус стенки с первым контуром на внутренней поверхности корпуса стенки, соединенным по текучей среде с первым проточным каналом, и вторым контуром, сформированным на внешней поверхности корпуса стенки и находящимся в соединении по текучей среде со вторым проточным каналом.

Изобретение относится к аппаратам для осуществления тепло- и массообмена флюидов и может быть использовано в различных отраслях промышленности. Тепломассообменный аппарат содержит корпус с патрубками ввода/вывода флюидов, в котором установлены один или несколько смежных блока, состоящих из вертикальных, соприкасающихся турбулизирующими выступами тепломассообменных элементов, образующих кольцевой ряд вокруг вертикальной оси корпуса, формирующих периферийный и центральный распределительные коллекторы, в которых установлены перегородки, которые обеспечивают поворот радиального потока флюида при переходе между блоками.

Изобретение относится к теплообменным аппаратам и может быть использовано в различных отраслях промышленности для передачи теплоты между потоками флюидов. Предложен теплообменник, включающий корпус с патрубками подвода и отвода теплоносителей.
Наверх