CS253039B1 - Výmáník tepla - Google Patents

Abstract

Řešení se týká výměníku teple pro intenzívní sdílení tepla mezi alespoň dvěma kapalinami. Výměník sestává z nej-, méně tří souosých trubek, přičemž alespoň jedna trubka je na konci uzavřená. Na vnější i vnitřní st. 'ně teplosměnné plochy, tvořené stěnou t- 'bky popřípadě teplosměnných ploch, tvořených stěnami trubek, jsou umístěny šroubovice tvořící šroubovicové kanály pro protékající kapaliny. Osa výměníku může být v libovolné . poloze. Výhodné je provedení výměníku ’s osou výměníku ve svislé poloze, protože se navíc dosáhne vytlačení chladicí vody z výměníku po ukončení chlazení. Výměník tepla lze s úspěchem použit jako vodní chladič u temperovacích jednotek, kde teplonosné kapaliny mají většinou vyšší viskozitu než,chladicí voda a kde jsou požadovány malá průtoky kapalin.

Description

Vynález se týká výměníku tepla.

V chemickém průmyslu se používají různé typy konstrukce výměníků tepla, které se rozdělují podle tvaru topných elementů, způsobu výměny tepla nebo podle dráhu ohřívaných látek.

Reaktory, autoklévy, polymerisátory, destilační kotle a jiné nádoby lze ohřívat nebo chladit teplosměnnou stěnou nebo jinou vloženou teplosměnnou plochou. Výhodou tohoto druhu topení nádob je hlavně možnost dokonalého čištění vnitřní stěny nádoby, na které se často napéká nebo inkrustuje zpracovávaná surovina nebo které se zanáší různými nečistotami, což zhoršuje prostup tepla stěnou. Nedostatkem topného pláště jsou větří tlouštky stěn pláště při vyšších tlacích a poměrně velké ztráty tepla z pláště do okolního vzduchu při nedostatečné tepelné izolaci pláště.

Snadné čištění teplosměnné plochy, rychlé demontáž a výhodně řešená tepelná dilat.sce jsou znaky ponorných topných těles. Jedná se o výměníky tepla vkládané do aparátů, ve kterých jsou při provozu zaplaveny zpracovávanou kapalinou. Jejich nevýhodou je nutnost míchání kapaliny na vnějším povrchu teplosměnné plochy k dosažení lepšího nřestupu tepla z povrchu ponorného tělesn. Vnitřní uspořádání je výhodné pro parní topení nebo pro velké průtoky kapaliny.

U trubkových výměníků je topná plocha vytvořena stěnou trubek různě uspořádaných, aby se dosáhlo Maximální plochy v minimálním prostoru. Vytvořená tooná plocha je buS ponořeno do ohřívané suroviny (trubkové hady, spirály zamontované v nádobách), nebo je sestavena do průtokových kanálů, jimiž proudí teplosměnné látky po obou stranách stěny trubky. Srovnéme-li toto provedení s provedením aparátů s topným pláštěm nebo s topnou rovnou stěnou vůbec, je největší nevýhodou trubkových tODných hadů a spirál obtížné čištění usazenin a inkrustací zpracovávané suroviny. Naproti tomu velkou výhodou je dokonalé využití topné plochy a dále možnost použití vysokotlakého média, aniž z toho vzejdou nehospodárné požadavky na tlouštku stěny, jako tomu bylo u topných pláštů.

Povrch trubek je možno zvětšit žebrováním. Další variantou tohoto druhu výměníků s pláštovými trubkami a kotlové výměníky - trubkové svazky v pláštích.

U výměníků s trubkovými svazky v pláštích se často nedosáhne při výměně tepla maži dvěma proudícími kapalinami dostatečné rychlosti proudící kapalinycvně trubek, takže pak není součinitel prostupu teple uspokojivý. Poměrně dobrých výsledků přestupu tepla vlivem stejných poměrů po proudění tekutiny na obou stranách topná plochy se dosáhne ve spirálovém výměníku, který představují dvě spirály montované do sebe a tvořící tok kontinuální kanály obdélníkového průřezu, jehož postranní stěny tvoří dvě čela. Velkou výhodou této konstrukce výměníků je snadné čištění a dobrá účinnost.

Podobně jako u spirálového výměníku, kde se snažíme dosáhnout co největší průtokové rychlosti, i řešení šroubovicového výměníku má zlepšit ohřívání poměrně malého množství viskózní kapaliny, která by v normálním výměníku trubkovém neměla tak vhodné podmínky pro předávání tepla. Ve šroubůvicovéro výměníku je pro zlepšení přestupu tepla vytvořen pro kapalinu kanál ve tvaru šroubovice. Při proudění v- zakřiveném šroubovicovém kanálu dochází vlivem Odstředivých sil ke vzniku druhotné cirkulace, která zvyšuje součinitele přestupu tepla a navíc sníží zanášení teplosměnné plochy, nepříklad při ch^izení znečištěnou vodou. Šroubovicový kanál pro kapalinu je vytvořen na jedné straně teplosměnné plochy; na druhé straně teplosměnné plochy proudí pára, která ohřívá kapalinu.

Výměník tepla podle vynálezu je určen pro intenzivní sdílení tepla mezi alespoň dvěmi kapalinami,. Sestává z nejméně tří souosých trubek, přičemž alespoň jedna trubka je na konci uzavřen. Podstata vynálezu spočívá v tom, že na vnější i vnitřní , tre.rt tep&o aměrné plochy, popřípadě teplosměnných ploch, jsou mezi stěnami trubek umísi.'cv šr ,-= bovice tvořící Sroubo’- icové kanály pro protékající kapaliny. Osa šroubovice, ,do , /,-íku může být v libovolné poloze.

Výměník tepla podle vynálezu využívá přednosti ponorných topných těles a groubovicového výměníku. Při uspořádání trubek výměníku podle vynálezu se výhodně řeší dilatace těchto trubek, takže mezi proudícími |kapalinaini může být velký rozdíl teplot (200 K i více). Snadné čištění výměníku je umožněno tím, že vnitřní trubku s přivařenou šroubovicí i teplosměnnou ; trubku lze po demontáži přírubového spoje vytáhnout. Vytvořením šroubovicových kanálů na obou stranách teplosměnné plochy se zajistí intenzivní přestup tepla na obou stranách teplosměnné plochy vznikem druhotné cirkulace v obou šroubovicových kanálech, což vede ke zvýšeni součinitele prostupu tepla, takže pro odvod stejného tepelného toku je potřebná menší teplosměnné plocha, než je tomu u jiných výměníků. Vytvoření šroubovicových kanálů na obou stranách teplosměnné plochy navíc zajištuje její dokonalé využití i při malých objemech kapalin ve výměníku. Při provedení výměníku s osou výměníku ve svislé jioloze (obr. 3) se navíc dosáhne vytlačení chladicí vody z výměníku po ukončení chlazení. Tím se zmenší kolísání teploty chlezené kapaliny, což znamená výhodnější regulační vlastnosti přerušovaného chlazení. Dále se podstatně zmenší množství chladicí vody odpařené ve výměníku a tím i množství usazenin. Vznikne také úspora energie při roztápění systému chlazené kapaliny na provozní teplotu na začátku provozu v důsledku menšího odparu zbytkové vody ve výměníku. Při požadavku na větší teplosměnnou plochu při omezené délce výměníku je možné zapojit více výměníků za sebou.

K bližšímu objasnění podstaty vynálezu slouží popis zařízení a přiložené výkresy.

Obr. 1 představuje schematický nákres výměníku tepla pro intenzivní sdílení tepla mezi dvěme kapalinami s osou výměníku ve vodorovné poloze. Obr. 2 představuje schematický nákres výměníku tepla pro intenzivní sdílení tepla· mezi třemi kapalinami, s osou výměníku ve vodorovné poloze, na obr. 3 je schematicky znázorněn výměník tepla pro intenzivní sdílení teplo mezi dvěma kapalinami, s osou výmění.cu ve svislé poloze.

Výměník na obr. 1 sestává ze tří souosých trubek 2, 2, 2> přičemž trubka 2 je teplosměnné trubka. Teplosměnné plocha 6 je označena čerchovaně. Na vnitřní trubce 2 je při vařena vnitřní šroubovice 2· Vnější šroubovice £ je přivařene na teplosměnné trubce 2. Trubky £ a 2 jsou spojeny přírubovým spojem 22, přírubový spoj 14 upevňuje trubku 2 na trubce 2. Vstup a výstup kapaliny 11 je označen 2i §, vstup a výstup kapaliny 12 jsou 2 ^a 2_Q.·

Plocho průřezu 15 vnějšího šroubovicového kanálu a plocha průřezu 16 vnitřního šroubovícového kanálu jsou dány stoupáním šroubovic S1 a S2 a volbou průměrů a tlouštěk stěn trubek 2> 2 a 2·

Kapalina 11 vstupuje do výměníku vstupem 2 ^a protéká šroubovicovým kanálem, který je vytvořen vnitřní šroubovicí 2, vnitřní trubkou 2 ^a teplosměnnou trubkou 2. Na pravém šroubovicovém kanálu vstupuje kapalina 22 do vnitřní trubky 2 ^ε vytéká z výměníku výstupem 8. Při průtoku kapaliny 11 kanálem vnitřní šroubovice 2 ^se teplo z této kapaliny intenzivně sdílí do teplosměnné trubky 2. Druhé kapalina 12 vstupuje do výměníku vstupem 2 ^a protéká vnějším šroubovicovým kanálem tvořeným vnější šroubovicí £, teplosměnnou trubkou 2, a vnější trubkou 2· Tato kapalina vystupuje z výměníku výstupem £0.

U obou kapalin 11 i 12 jsou možné opačné směry průchodu výměníkem, podle uspořádání průtoků souproudém nebo protiproudém.

Po demontáži přírubového spoje 13 a vytažení vnitřní trubky 1 se šroubovicí 2 j® možno' vyčistit vnitřek teplosměnné trubky 2 a kanál vnitřní šroubovice 2· demontáži přírubového spoje 14 a vysunutí teplosměnné trubky 2 s vnější šroubovicí £ lze vyčistit vnější teplosměnnou plochu 6. Nepředpokládá-!!' se nutnost* čištění teplosměnné plochy na straně některé z kapalin, je možno nahradit odpovídající přírubové spojení u výměníku :

podle vynálezu svarem.

Výměník na obr. 2 sestává z 5 souosých trubek 1, 2, 33. 34 a 2· Mezi vnitřní trubkou i a teplosměnnou trubkou 2 je vytvořena vnitřní Sroubovice 2· Mezi teplosměnnou trubkou 2 a vodicí trubkou 33 je vytvořena vnitřní vodicí šroubovíce 35. Mezi vodicí trubkou 33 á vnější teplosměnnou trubkou 34 je vytvořena vnější vodicí Sroubovice 26. Mezi vnější teplosměnnou trubkou 34 a vnější trubkou 2 je vytvořena Sroubovice 4·

Kapalina 21 vstupuje do výměníku vstupem 25. protéká kanálem vnitřní Sroubovice 2 kolem teplosměnné plochy 6 a na druhém konci kanálu vstupuje do vnitřní trubky i, kterou protéká do výstupu 26. Kapalina 22 vstupuje do výměníku vstupem 27. protéká kanálem vnější vodicí Sroubovice 36 a na jeho konci je vedena do kanálu vnitřní vodicí Sroubovice 35.

Z výměníku vystupuje výstupem 28. Po vstupu do výměníku protéká kapalina 22 kolem vnější teplosměnná plochy 32 a vrací se kolem teplosměnné plochy 6. Kapalina 23 vstupuje do výměníku vstupem 29 a protéká kanálem vnější Sroubovice £ kolem vnější teplosměnná plochy 32. Na opaěném konci kanálu vystupuje z výměníku výstupem 30. Tepelný tok z kapaliny 22 je tedy možno předávat do kapaliny 21 a 23.

Řešení výměníku podle obr. 2 je možno ooužít i pro sdílení tepla mezi dvěma kapalinami s dosažením větší teplosměnné plochy, jestliže výstup 26 kapaliny 21 bude napo- jen na vstup 29 kapaliny 23.

Zvláště výhodným provedením výměníku tepla podle vynálezu je uspořádán podle obr. 3. Osa výměníku χ je ve svislé poloze. Toto uspořádání je výhodné v případě, že výměníkem podle vynálezu mé být chlazena kapalina o teplotě 100 °C chladicí vodou přerušovaným systémem (tj. bhlazení se opakovaně vypíná e zapíná). Tekové podmínky chlazení jsou časté, např. u temperovacích jednotek, kde přerušované chlazení zajišťuje udržování stálé teploty chlazené kapaliny.

Výměník na obr. 3 sestává ze tří souosých trubek 1, 2, 2 umístěných ve svislé poloze. Trubka 2 je teplosměnná trubka s teplosměnnou plochou 6. Ns vnitřní trubce 1 je přivařena vnitřní Sroubovice 5.. Vnější Sroubovice í je přiveřena no teplosměnné trubce

2. Přírubové spoje 12 ® .14 jsou umístěny dole. Vstup a výstup kapaliny 11 je I, g, vstup a výstup kapaliny 12 jsou označeny g ^s 10.

Chlazená kapalina 12 protéká ve výměníku trvale kanálem vnější Sroubovice 4. podle uspořádání průtoků souproudém nebo.protiprpudém je její průtok možný v obou směrech.

Při chlazení je chladicí voda 11 přiváděna do výměníku vstupem 8 a protéká vnitřní trubkou 1- Na jejím horním konci přetéká chladící voda 11 prostorem 31 do kanálu vnitřní Sroubovice 5, ptot-éká tímto kanálem teplosměnné trubky 2 a chladí chlazenou kapalinu 12.

Z výměníku odchází voda 11 výstupem J. Po ukončení chlazení je uzavřen přívod vody do vstupu 8. Po poklesu tlaku chladicí vody při ukončení chlazení plyny stlačené v prostoru 31 částečně vytlačí vodu z horní části vnitřní Sroubovice Chlazená kapalina 12 ohřeje teplosměnnou trubku 2 a vodu ve vnitřní šroubovici 5· Tím dojde k vývina páry, která uniká směrem vzhůru k prostoru 31 a postupně vytlačuje chladicí vodu 11 ze šroubovice 5 do výstupu J. Postupně je voda vytlačena ze Sroubovice 5 zhruba po dolní konec teplosměnné plochy 6 (po úroveň příruby 141 . Uvedeného efektu je dosaženo i tehdy, když je v odpadním potrubí chladicí vody (za výstupem J) mírný přetlak, což je častý případ v provozních podmínkách. Ke stejnému ději dojde i při roztápění okruhu chlazené kapaliny na provozní teplotu.

Výměník tepla podle vynálezu lze s úspěchem použit jako vodní chladič u temperovacích jednotek, kde teplonosné kapaliny (oleje, syntetické teplonosné kapaliny) mají většinou vyšší viskozitu, než má chladicí voda. Při tom jé někdy požadována dobrá výměna tepla při malém průtoku teplonosné kapaliny i malém průtoku chadicí vody. Výměník tepla podle vynálezu lze tedy výhodně použít všude tam, kde je nutno chledlt menší průtočná množství kapalin o vyšší viskozitě a kde je nutné snadné čištění teplosměnné plochy, například v chemickém, plastikářském a gumárenském průmyslu.

PŘEDMĚT VYNÁLEZU

Claims (1)

1. PŘEDMĚT VYNÁLEZU

   Výměník tepla pro intenzivní sdílení tepla mezi alespoň dvěma kapalinami, sestávající z nejméně tří souosých trubek, přičemž'alespoň jedna trubka je na konci uzavřená, vyznačený tím, že na vnější i vnutřní straně teplosměnné plochy (6), tvořené stěnou trubky (2), popřípadě teplosměnných ploch (6, 32), tvořených stěnami trubek (2, 34), jsou umístěny šroubovice (4, 5, 35, 36) tvořící šroubovicové kanály pro protékající kapaliny.

   3 výkresy