CS271164B1

CS271164B1 - Heat exchanger

Info

Publication number: CS271164B1
Application number: CS887522A
Authority: CS
Inventors: Jiri Jonak; Vaclav Ing Samal
Original assignee: Jiri Jonak; Samal Vaclav
Priority date: 1988-11-17
Filing date: 1988-11-17
Publication date: 1990-08-14
Also published as: CS752288A1

Abstract

The heat exchanger is a combination of a heat exchanger (1) consisting of bottom and upper chambers (2, 4) with tube plates (7, 8), which are connected by heat exchanging tubes (6) and from heat tubes. These are constructed in such a way that annular bottoms (12, 13) are fitted to the outer side of the heat exchanging tubes (6) at the top and at the bottom, connected, on the outer sides, by cylindrical shells (14). The space formed is partially filled with a heat exchanging medium, and a cylindrical intermediate partition (15) with transfer openings (17) can be placed in it The heat exchanging tubes can project above the upper tube plate (8) into the upper chamber (4) space, and the outer wall of the cylindrical shell (14) can be provided with ribs (18).

Description

(57) Výměník tepla je kombinací výměníku tepla (1) skládajícího se z dolní a horní komory (2, 4) s trubkovnicemi (7, 8). které jsou spojeny výměníkovými trubkami (6) a z tepelných trubic. Ty jsou vytvořeny tak, že na vnější stranu výměníkových trubek (6) jsou nahoře a dole připevněna mezikruhová dna (12, 13), na vnějších stranách spojená válcovými plášti (14)· Vzniklý prostor je částečně naplněn teplosměnným médiem a může v něm být umístěna válcová mezistěna (15) s převáděcími otvory (17). Výměníkové trubky (6) s válcovým pláštěm mohou přesahovat nad horní trubkovnici (8) do prostoru horní komory (4) a vnější stěna válcového pláště (14) může být opatřena žebry (18).(57) The heat exchanger is a combination of a heat exchanger (1) consisting of a lower and an upper chamber (2, 4) with a tube sheet (7, 8). which are connected by heat exchanger tubes (6) and from heat tubes. These are formed by attaching annular bottom (12, 13) on top and bottom on the outside of the heat exchanger tubes (6), connected to the outside by cylindrical shells (14). · The resulting space is partially filled with heat transfer medium and can be placed cylindrical partition (15) with transfer holes (17). The cylindrical shell exchanger tubes (6) may extend above the upper tube sheet (8) into the upper chamber (4) and the outer wall of the cylindrical shell (14) may be provided with ribs (18).

CS 271 164 В’CS 271 164

271 271 164 164 (11) Italy (11) (13) (13) ВТ ВТ (51) (51) lnt. Cl. ⁵ lnt. Cl. ⁵ F 28 D 15/00 F 28 D 15/00

Obr 3Figure 3

CS 271 164 В1CS 271 164 В1

Vynález se týká výměníku tepla, který se skládá z dolní a horní komory s trubkovnicemi, které jsou mezi sebou propojeny výměníkovými trubkami, a jeho účelem je umožnit převádění velkých tepelných toků bez nebezpečí místního přehřátí výměníkových trubek a tvoření nadměrného množství kotelního kamene·The invention relates to a heat exchanger consisting of a lower and an upper chamber with tubesheets interconnected by heat exchanger tubes, the purpose of which is to allow the transfer of large heat flows without the risk of local overheating of the heat exchanger tubes and the formation of excessive scale.

Výměníky shora uvedeného typu jsou známé a běžně se používají v mnoha variantách. Příkladem může být výměník, jehož výměníkové trubky jsou vestavěny do spalinového kanálu za kotlem. Spaliny mají teplotu například 300 °C a je jimi ohřívána napájecí voda o teplotě 102 °C. Při použití řádné upravené napájecí vody se nevyskytují žádné závady v provozu.Exchangers of the above type are known and commonly used in many variations. An example is a heat exchanger whose heat exchanger tubes are built into the flue gas duct after the boiler. The flue gases have a temperature of, for example, 300 ° C and are used to heat the feed water at 102 ° C. When using properly treated feed water, there are no faults in operation.

Pokud se použije zmíněný výměník například к odebírání tepla z ohniště s bezplamenným spalováním, to znamená z ohniště, v němž se spaluje směs plynu a vzduchu v prostoru, vyplněném keramickým materiálem, obyčejně ve formě granulí, zlomků nebo kuliček, vznikají dále uvedené obtíže. Spalování probíhá na povrchu keramického materiálu, který se ohřeje na teplotu asi 1 000 až 1 400 °C a přestup tepla se děje převážně sáláním. Směs plynu a vzduchu se přivádí do ohniště obvykle z jednoho místa, shora nebo z boku. V okolí místa přívodu směsi se keramická nápln ohřeje na nejvyšší teplotu, zvýší se neúměrně tepelný tok a v těchto místech dochází к místnímu přehřátí výměníkových trubek procházejících ohništěm а к tvorbě kotelního kamene na straně vody a případně к poškození keramického materiálu. Důsledkem toho Je po určité době provozu zničení výměníkových trubek.If the exchanger is used, for example, to remove heat from a flame-free fireplace, i.e. from a fireplace in which a gas-air mixture is combusted in a space filled with ceramic material, usually in the form of granules, chips or spheres, the following difficulties arise. The combustion takes place on the surface of the ceramic material, which is heated to a temperature of about 1000 to 1400 ° C and the heat transfer is predominantly by radiation. The mixture of gas and air is supplied to the fireplace usually from one place, from above or from the side. In the vicinity of the mixture feed point, the ceramic charge is heated to the highest temperature, the heat flux is disproportionately increased and at these places the heat exchanger pipes passing through the fireplace and the formation of scale on the water side and eventually damage the ceramic material. As a result, the heat exchanger tubes are destroyed after a certain period of operation.

Dále jsou známy různé konstrukce tepelných trubic. Pro jejich většinu je charakte* ristické, že jejich níže položený konec je ponořen do prostředí o vyšší teplotě a druhý konec, výše položený, do prostředí o nižší teplotě. V níže položeném konci se teplosměnné médium, jímž je tepelná trubice zčásti naplněná, odpařuje a na druhém konci páry teplosměnného média kondenzují a předávají teplo do prostředí o nižší teplotě. U tepelných trubic přenášejících velké tepelné toky je nutné, aby byla usnadněna cirkulace teplosměnného média ve formě kapaliny i páry· Za tím účelem jsou prováděny v tepelné trubce vestavby, jejichž účelem je oddělit páru od kondenzátu tak, aby kapičky kondenzátu nebyly strhávány vzhůru proudící parou. Kromě jiného je výhodou tepelných trubic skutečnost, že při přenosu tepla se nemůže tvořit kotelní kámen a že povrchová teplota celé tepelné trubice je prakticky stejná.Furthermore, various designs of heat pipes are known. For most of them, it is characteristic that their lower end is submerged in a higher temperature environment and the other end, higher, in a lower temperature environment. At the lower end, the heat transfer medium through which the heat pipe is partially filled evaporates, and at the other end of the heat transfer medium vapor condenses and transfers heat to a lower temperature environment. For heat pipes carrying large heat flows, it is necessary to facilitate the circulation of the heat transfer medium in the form of both liquid and steam. For this purpose, in-built heat pipes are designed to separate steam from condensate so that condensate droplets are not entrained upstream. Among other things, the advantage of heat pipes is the fact that scale cannot form during heat transfer and that the surface temperature of the entire heat pipe is practically the same.

Zdálo by se, že pro odvádění tepla z ohniště s bezplamenným nebo fluidním spalováním by mohly být vhodné tepelné trubice dosavadního typu. Tím by se však nevyřešilo chlazení horní a spodní stěny ohniště, které dosud chladí trubkovnice horní a spodní komory a které by muselo být provedeno separátně.It would appear that prior art heat pipes could be suitable for removing heat from a flame-free or fluidized-bed fireplace. However, this would not solve the cooling of the upper and lower walls of the fireplace, which still cools the tubesheets of the upper and lower chambers, and which would have to be done separately.

Uvedené nedostatky z největší části odstraňuje výměník tepla podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že na vnější strany výměníkových trubek jsou připevněna dolní mezikruhová dna a horní mezikruhová dna, která jsou na vnějších stranách spojena válcovými plášti, přičemž takto vytvořené prostory jsou naplněny teplosměnným médiem, zprostředkujícím přenos tepla.These drawbacks are largely eliminated by the heat exchanger according to the invention, which consists in attaching to the outer sides of the heat exchanger tubes lower annular bottoms and upper annular bottoms which are connected on the outside by cylindrical shells, the spaces thus formed filled with heat transfer medium. for heat transfer.

Dalším znakem je to, Že horní části výměníkových trubek s mezikruhovými dny a válcovými plášti jsou prodlouženy nad trubkovnici horní komory·Another feature is that the upper parts of the heat exchanger tubes with the annular bottom and the cylindrical shells are extended above the upper chamber tube sheet.

Pro zlepšení oběhu teplosměnného média jsou v prostorách mezi výměníkovými trubkami, dolními a horními mezikruhovými dny a válcovými plášti umístěny válcové mezistěny.To improve the circulation of the heat transfer medium, cylindrical partitions are located in the spaces between the heat exchanger tubes, the lower and upper annular bottoms and the cylindrical shells.

Dalšího žlepšení je docíleno tím, že ve válcových mezistěnách jsou provedeny převáděcí otvory.A further improvement is achieved in that transfer holes are provided in the cylindrical partitions.

Posledním znakem vynálezu je to, že na vnějších stranách válcových pláštů jsou provedena žebra.A final feature of the invention is that ribs are provided on the outer sides of the cylindrical shells.

Výhodou výměníku tepla podle vynálezu, který je vlastně kombinací klasického výměníku s tepelnou trubicí je v první radě to, že se docílí rovnoměrného tepelného zatížení výměníkových trubek po jejich celé délce. Dále dojde к rovnoměrnému rozdělení teplot na straně, odkud je teplo odebíráno, tj. na straně spalinového, fluidního nebo spalovacího prostoCS 271 164 Bl ru s bezplamenným spalováním. Tím odpadne nebezpečí místního přehřátí, tvorby kotelního kamene a poškození výměníkových trubek. Docílí se toho tím, Že teplosměnné médium, kterým je z větší části naplněn prostor mezi výměníkovou trubkou a válcovým pláštěm, se odpařuje, rychle cirkuluje jednak zdola nahoru, Jednak mezi stěnami válcového pláště a výměníkových trubek, Čímž dochází к homogenizaci teploty a účinnému předávání tepla do výměníkových trubek.The advantage of the heat exchanger according to the invention, which is in fact a combination of a conventional heat exchanger with a heat pipe, is first and foremost that a uniform heat load of the heat exchanger pipes is achieved over their entire length. Furthermore, there is a uniform temperature distribution on the heat-withdrawing side, i.e. on the flue, fluid or combustion side of the flame-free combustion chamber. This eliminates the risk of local overheating, scaling and damage to the heat exchanger tubes. This is achieved by the fact that the heat transfer medium, which is largely filled with the space between the heat exchanger tube and the cylindrical shell, evaporates, circulates rapidly from bottom to top, and between the walls of the cylindrical shell and the heat exchanger pipes. into the heat exchanger tubes.

Zrychlení cirkulace oběhové vody ve výměníkových trubkách nelze docílit, poněvadž je dána množstvím vody v systému a teplotou, na kterou má být ohřátá.Acceleration of circulating water circulation in the heat exchanger tubes cannot be achieved because it is determined by the amount of water in the system and the temperature to which it is to be heated.

Prodloužením horní části výměníkových trubek s mezikruhovými dny a válcovými plášti nad trubkovnici horní komory se docílí zvětšení teplosměnné plochy Jak válcového pláště, tak výměníkové trubky, část válcového pláště přečnívajícího do horní komory a horní mezikruhové dno předávají teplo do vody v horní komoře, čímž se také zvýší výkon výměníkové trubky.By extending the upper part of the heat exchanger tubes with the annular bottom and the cylindrical shells above the upper chamber tube sheet, the heat exchange surface of both the cylindrical shell and the heat exchanger tube, the part of the cylindrical sheath projecting into the upper chamber and the upper annular bottom transfer heat to water in the upper chamber. increase the heat exchanger tube performance.

Válcová mezi stěna v prostoru teplosměnného média usměrňuje Jeho tok na vnější straně, kde je vyšší teplota, zdola nahoru a na vnitřní straně s nižší teplotou shora dolů, což má význam pro zvýšení cirkulace a intenzitu předávání tepla.The cylindrical wall in the space of the heat transfer medium directs its flow on the outside, where the temperature is higher, from bottom to top, and on the inside with the lower temperature from top to bottom, which is important for increasing circulation and heat transfer intensity.

Převáděcí otvory ve válcových mezistěnách umožňují přestup teplonoshého média z vnější na vnitřní stranu válcové mezistěny po její výšce. V důsledku toho se zkrátí cesta teplonosného média od válcového pláště к výměníkové trubce a zintenzivní se dále přenos tepla.The transfer openings in the cylindrical partition walls allow the transfer of the heat medium from the outside to the inside of the cylindrical partition along its height. As a result, the path of the heat transfer medium from the cylindrical shell to the heat exchanger tube is shortened and the heat transfer is further intensified.

Žebra na vnější straně válcového pláště zvyšují přestup tepla z vnějšího prostoru o vysoké teplotě do teplosměnného média, čímž současně snižují teplotu a zrovnoměrňují rozdělení teplot na straně, která teplo předává, to Je keramika, fluidní lože nebo spalinový prostor.The fins on the outside of the cylindrical shell increase the heat transfer from the high temperature outer space to the heat transfer medium, thereby simultaneously lowering the temperature and uniformizing the temperature distribution on the heat transfer side, ie the ceramic, fluidized bed or flue gas space.

Dále bude popsáno příkladné provedení výměníku tepla podle vynálezu a pro názornost bude znázorněno na obr. 1 až 3, kde na obr. 1 Je svislý rez osou výměníku, který je zabudován do ohniště s bezplamenným spalováním, obr. 2 znázorňuje tentýž výměník ve vodorovném řezu A - A z obr. 1 a obr. 3 je svislý řez osou jedné výměníkové trubky, použité ve výměníku tepla podle obr. 1 a 2.An exemplary embodiment of a heat exchanger according to the invention will be described and illustrated in Figs. 1 to 3, where Fig. 1 is a vertical section through the axis of the exchanger which is built into a flame-free combustion fireplace; Fig. 2 shows the same exchanger in horizontal section A-A of FIGS. 1 and 3 is a vertical sectional view of the axis of one heat exchanger tube used in the heat exchanger of FIGS. 1 and 2.

Samotný výměník tepla 2 se skládá z dolní komory 2 s nástavkem 3 pro přívod vratné vody, z horní komory 4 s nástavkem 5 pro odvod ohřáté vody a z výměníkových trubek 6. Horní stěnu dolní komory 2 tvoří dolní trubkovnice 7 a dolní stěnu horní komory 4 horní trubkovnice 8. Ve středovém otvoru horní komory 4 se nachází hlava 9 pro přívod směsi plynu a vzduchu do ohniště 22 pro bezplamenné spalování, které Je vyplněno keramickou drtí 22· Ve středu dolní komory 2 je proveden otvor 2É P^r0 odvod spalin z ohniště 2θ· Na každou z výměníkových trubek 6 je z vnější strany přivařeno dolní mezikruhové dno 22 ^a horní mezikruhové dno 23, která jsou na vnějších stranách spojena přivareným válcovým pláštěm 14. Prostor mezi výměníkovou trubkou 6, dolním a horním mezikruhovým dnem ±2 a 13 a válcovým pláštěm 24 Je vyplněn z větší části teplonosným médiem, které zprostředkovává přenos tepla. V popisovaném provedení je horní Část výměníkové trubky 6, s horním mezikruhovým dnem 13 a válcový plášt 21 prodloužen nad horní trubkovnici 8, přičemž válcový pláší 21 d^e svařen s horní trubkovnicí 8. V prostoru mezi výměníkovou trubkou 6, dolním mezikruhovým dnem 12, horním mezikruhovým dnem 21 a válcovým pláštěm 14 je umístěna válcová mezistěna 1^, ve které jsou provedeny obdélníkové převáděcí otvory 2?· 2 vnější strany jsou na válcovém plášti 14 navařena obdélníková žebra 18.The heat exchanger 2 itself consists of a lower chamber 2 with an extension 3 for the return water supply, an upper chamber 4 with an extension 5 for the outlet of heated water and heat exchanger tubes 6. The upper wall of the lower chamber 2 consists of the lower tube plate 7 and the lower wall of the upper chamber 4 tubesheet 8. in the central opening of the upper chamber 4 is located on the head 9 for supplying gas and air mixture into the furnace 22 for flameless combustion, which is filled with ceramic grit 22 · in the middle of the lower chamber 2 is an opening 2e P ^r0 flue gas from the furnace 2θ · On each of the heat exchanger tubes 6 is welded from outside the lower annular bottom 22 ^{and the} upper annular bottom 23, which are connected on the outside by a welded cylindrical jacket 14. The space between the exchanger tube 6, the lower and upper annular bottom ± 2 and 13 and the cylindrical jacket 24 It is mostly filled with heat transfer medium, which mediates heat transfer. In the described embodiment, the upper part of the heat exchanger tube 6, with the upper annular bottom 13 and the cylindrical sheath 21 extends above the upper tube sheet 8, the cylindrical sheath 21d ^{e is} welded to the upper tube 8. a cylindrical intermediate wall 11 is arranged in the annular bottom 21 and the cylindrical housing 14, in which rectangular transfer openings 2, 2 are provided, the rectangular ribs 18 are welded on the cylindrical housing 14.

Za provozu výměníku hoří přiváděná směs plynu a vzduchu nej intenzivněji u hlavy 9, jak je znázorněno vlnitými čarami na obr. 1. Směrem к otvoru 2^ pro odvod spalin intenzita hoření podstatně klesá. Nejintenzívněji jsou ohřívány horní konce válcových pláštů 14 vnitřního věnce výměníkových trubek 6. Vroucí teplonosné médium a jeho páry stoupají jednak vzhůru, jednak procházejí převáděcími otvory 2? к výměníkové trubce 6, kde předávají teplo převzaté od válcového pláště 21 a žeber 2§· Další intenzívní převod tepla probíhá na horníDuring operation of the exchanger, the supplied gas-air mixture burns most intensively at the head 9, as shown by the wavy lines in FIG. The upper ends of the cylindrical shells 14 of the inner shroud of the heat exchanger tubes 6 are heated most intensively. The boiling heat transfer medium and its vapors rise upwardly and pass through the transfer openings 2? to the heat exchanger tube 6, where they transfer the heat received from the cylindrical shell 21 and the fins 2 · Further intensive heat transfer takes place at the top

CS’27I 164 Bl části, válcového pláště £4_r prodlouženého do horní komory 4 a na horním mezikruhovém. dnu £3. Teplo je odebíráno’vodou> proudící do výměníku nástavkem 3 do dolní komory g, výměníkovými trubkami 6 do horní komory 4 a ohřátá voda odchází nástavkem jj ke spotřebiči..CS'27I 164 Bl portion of the cylindrical housing 4 £ _r prolonged into the upper chamber 4 and the upper annular. day £ 3. The heat is removed by the water flowing into the exchanger through the extension 3 into the lower chamber g, through the exchanger tubes 6 into the upper chamber 4, and the heated water passes through the extension jj to the appliance.

Použití popsaného * vynálezu není omezeno jenom na uvedené příkladné provedení. Může najít uplatnění například ve fluidním ohništi a tam, kde se jedná o přenos tepla z média, jehož teplota se mění vzhledem к délce výměníkové trubky.The use of the described invention is not limited to the exemplary embodiment. It can be used, for example, in a fluidized bed and where heat is transferred from a medium whose temperature varies with respect to the length of the heat exchanger tube.

PŘEDMŽT VYNÁLEZUOBJECT OF THE INVENTION

Claims

A heat exchanger consisting of a lower tubesheet chamber, an upper tubesheet chamber and a heat exchanger tube connecting both said tubesheets and which are located in a higher temperature space, characterized in that on the outside of the heat exchanger tubes (6) there are the lower annular bottoms (12) and the upper annular bottoms (13), which are connected on the outside by cylindrical shells (14), the spaces thus formed are filled with a heat transfer medium mediating heat transfer.

Heat exchanger according to claim 1, characterized in that the upper parts of the heat exchanger tubes (6) with the annular bottom (12, 13) and the cylindrical shells (14) extend over the tube sheet (8) of the upper chamber (4).

Heat exchanger according to claim 1 or 2, characterized in that cylindrical partitions (15) are located in the spaces between the heat exchanger tubes (6), the lower and upper annular bottoms (12, 13) and the cylindrical shells (14).

Heat exchanger according to Claim 3, characterized in that transfer holes (17) are provided in the cylindrical partitions (15).

Heat exchanger according to Claims 1 to 4, characterized in that ribs (18) are provided on the outer sides of the cylindrical shells (14).