PL165412B1

PL165412B1 - Heat exchanger

Info

Publication number: PL165412B1
Application number: PL28967091A
Authority: PL
Inventors: Stanislaw Mankowski; Mieczyslaw Dzierzgowski
Original assignee: Politechnika Warszawska
Priority date: 1991-03-29
Filing date: 1991-03-29
Publication date: 1994-12-30
Also published as: PL289670A1

Abstract

Wymienrnkciepła o przepływie przeciwprądowym, posiadający cylindryczny płaszcz zakończony wypukłymi dennicami, króćce wody grzejnej usytuowane w osi wymiennika, króćce wody ogrzewanej usytuowane w części cylindrycznej płaszcza, oraz wymienny blok wężownic nawiniętych wokół rdzenia w układzie przcciwskrętnym i połączonych trwale ze ścianami sitowymi, znamienny tym, że płaszcz (10) składa się z dwóchjednakowych, symetrycznych części wyposażonych w połączenie śrubowo-kołnierzowe w połowie długości wymiennika, zaś wymienny blok wężownic osadzony jest pomiędzy elementami mocującymi (4) zamocowanymi trwale wewnątrz płaszcza (10), przy czym do każdej ściany sitowej (6) bloku wężownic przytwierdzony jest trzpień centrująco-montażowy (3), stanowiący przedłużenie rdzenia (8), przechodzący przez centryczny otwór w elemencie mocującym (4) i zakończony elementem złącznym.Counterflow heat exchanger, having a cylindrical tipped mantle convex bottoms, positioned heating water connectors in the heat exchanger axis, connections for heated water located in the cylindrical part of the jacket, and removable a block of coils wound around the core w anti-torsion system and permanently connected to tube sheets, characterized in that the shell (10) it consists of two identical, symmetrical parts equipped with a bolt-flange connection in the middle of the exchanger's length, and removable the coil block is mounted between the elements fixing brackets (4) permanently fixed inside the shell (10), with each tube sheet (6) of the block of coils, the centering and assembly pin is attached (3), constituting an extension of the core (8), passing through through the centric hole in the element fastener (4) and ended with a fastener.

Description

Przedmiotem wynalazku jest wymiennik ciepła, mający zastopowanie w instalacjach centralnego ogrzewania oraz ciepłej wody użytkowej w grupowych lub indywidualnych węzłach ciepłowniczych dużych mocy /1,0 - 6,0 MW/.The subject of the invention is a heat exchanger that can be used in central heating and domestic hot water installations in large-power group or individual heating nodes / 1.0 - 6.0 MW /.

Znane są przeciwprądowe wymienniki ciepła typu WCO oraz WCW mające zastosowanie w instalacjach centralnego ogrzewania i ciepłej wody użytkowej. Powierzchnie wymiany ciepła w tych wymiennikach stanowią gładkie rury w kształcie litery U prowadzone w dwóch odrębnych płaszczach połączonych nawrotnym kolanem oraz zamocowane do dwóch ścian sitowych. Wymienniki te posiadają jedną drogę przepływu wody grzejnej i jedną drogę przepływu wody ogrzewanej oraz charakteryzują się nieodpowiednią charakterystyką cieplno-hydrauliczną, niską intensywnością wymiany ciepła, dużym zużyciem materiałów i wymagają szeregowego łączenia kilku jednostek podstawowych wymiennika.Counter-flow heat exchangers of the WCO and WCW types are known for use in central heating and domestic hot water installations. The heat exchange surfaces in these exchangers are smooth U-shaped tubes guided in two separate shells connected by a reversible elbow and attached to two tube sheets. These exchangers have one way of heating water and one way of heated water, and are characterized by inadequate thermo-hydraulic characteristics, low heat exchange rate, high consumption of materials and require serial connection of several basic exchanger units.

Eksploatowanie wyżej wymienionych wymienników jako pojedynczych jednostek jest technicznie i ekonomicznie nieuzasadnione. Natomiast występujące w nich zbyt niskie prędkości przepływu wody grzejnej i ogrzewanej są jednym z powodów szybkiego zarastania powierzchni wymiany ciepła oraz spadku mocy cieplnej w okresie eksploatacji, co przy trudnym dostępie do wężownic, wymagającym demontażu wymiennika z węzła, stwarza znaczne kłopoty w eksploatacji.It is technically and economically unjustified to operate the above-mentioned exchangers as single units. On the other hand, the too low flow velocities of heating and heated water in them are one of the reasons for the rapid fouling of the heat exchange surface and the decrease in thermal power during the operation period, which, due to the difficult access to the coils, requiring the removal of the heat exchanger from the node, causes significant problems in operation.

Znany jest także nierozbieralny, pionowy, przeciwprądowy, płaszczowo-rurowy wymiennik ciepła, w którym wężownice stanowią spiralne rurki nawinięte przeciwskrętnie w kilku warstwach wokół rdzenia przymocowanego do dwóch ścian sitowych. Wewnątrz rurek płynie woda grzejna, natomiast na zewng-trz rurek woda ogrzewana. Taka oonstrukcja wymiennika paaktccznie nniemożliwia dokonywanie przeglądów i remontów z uwagi na brak dostępu do wężownic, a ponadto są trudne technologicznie w produkcji, zwłaszcza ze względu na trudność uzyskania powtarzalności wymiarów i osiowości bloku wężownic.A non-dismountable vertical countercurrent shell-and-tube heat exchanger is also known, in which the coils are helical tubes wound anti-twist in several layers around a core attached to two tube sheets. Heating water flows inside the tubes, and heated water flows outside the tubes. Such an exchanger structure makes it impossible to perform inspections and repairs due to the lack of access to the coils, and moreover, they are technologically difficult to manufacture, especially due to the difficulty of achieving repeatability of dimensions and axiality of the coil block.

Znane są takie wymienniki z wysuwanym systemem ΓL^^ι^v^^ιy lub Γozłącznym blc^mm wężom!,, w których dostęp do wężownic zapewnia demontowalna ppokrwa lut) dennica przykręcona z jednej lub z obu stron części cylindrycznej płaszcza. Wymienniki te są trudne w wykonaniu i montażu i wymagają wyposażenia w zwiększoną ilość dodatkowych części, co wpływa na wysokie koszty wytwarzania. W celu uzyskania dostępu do wężownic wymienniki te również wymagają demontażu z węzła.There are known such exchangers with a retractable system ΓL ^^ ι ^ v ^^ ιy or Γconnectable blc ^ mm hoses !, in which access to the coils is provided by a removable cover (solder) bottom screwed on one or both sides of the cylindrical part of the shell. These exchangers are difficult to manufacture and assemble and require an increased number of additional parts, which results in high production costs. In order to gain access to the coils, these exchangers also need to be removed from the node.

Wymienniki płaszczowo-rurowe o przepływie prziciwppędowwy, przeznaczone do łączenia ze sobą, posiadają króćce wody ogrzewanej w części cylindrycznej płaszcza oraz dwa króćce wody grzejnej usytuowane w osi wymiioonka. Pozwala to na łatwe ich łączenie w typowych układach poziomych lub pionowych w celu uzyskania projektowanej wydajności cniplnij. Jednak z uwagiShell-and-tube heat exchangers with anti-propellant flow, designed to be joined together, have heated water connectors in the cylindrical part of the shell and two heating water connectors located in the axis of the pipe. This allows them to be easily combined in typical horizontal or vertical arrangements in order to obtain the designed Cniplnij capacity. However, due to

165 412 na trwałe usytuowanie króćców wody ogrzewanej, ich łączenie w układach nietypowych, na przykład ze względu na ukształtowanie węzła, jest utrudnione i wymaga stosowania dodatkowych odcinków rur lub zmiany konstrukcji wymiennika.165 412 for the permanent location of the heated water nozzles, their connection in atypical systems, e.g. due to the shape of the node, is difficult and requires the use of additional pipe sections or changes in the exchanger structure.

W zależności od typu konstrukcji, wymienniki te mogą pracować albo tylko w układzie poziomym, jak wymienniki typu WCO i WCW z rurami giętymi, albo tylko w układzie pionowym w przypadku wymiennika z wężownicami. Ponadto wymienniki stosowane do podgrzewania wody w sieci cieplnej wymagają innych rozwiązań konstrukcyjnych niż stosowane w sieci ciepłej wody użytkowej. W przypadku wymienników z rurami giętymi wymóg szeregowego łączenia kilku jednostek podstawowych wymiennika koliduje z wymogiem łączenia równoległego instalacji po stronie wody sieciowej, co ogranicza możliwość ich stosowania w innych niż założone w dokumentacji projektowej zestawieniach i parametrach pracy.Depending on the type of construction, these exchangers can operate either only in a horizontal arrangement, such as WCO and WCW heat exchangers with bent pipes, or only in a vertical arrangement in the case of an exchanger with coils. Moreover, the exchangers used to heat water in the heating network require different design solutions than those used in the domestic hot water network. In the case of exchangers with bent pipes, the requirement to connect several basic exchanger units in series with the requirement to connect the installation in parallel on the network water side, which limits the possibility of their use in other than specified in the design documentation statements and operating parameters.

W celu wyeliminowania wad konstrukcyjnych w wymienionych wcześniej rozwiązaniach opracowano wysokosprawny wymiennik ciepła o korzystnej charakterystyce cieplno-hydraulicznej, w którym po obu stronach powierzchni wymiana ciepła zachodzi w warunkach w pełni rozwiniętego ruchu burzliwego oraz czystego przepływu przeciwprądowego w pojedyńczym wymienniku.In order to eliminate structural defects in the aforementioned solutions, a highly efficient heat exchanger with favorable thermo-hydraulic characteristics was developed, in which on both sides of the surface the heat exchange takes place under the conditions of fully developed turbulent movement and clean counter-flow in a single exchanger.

Wymiennik według wynalazku, posiadający cylindryczny płaszcz zakończony wypukłymi dennicami, króćce wody grzejnej usytuowane w osi wymiennika, króćce wody ogrzewanej usytuowane w części cylindrycznej płaszcza, oraz wymienny blok wężownic nawiniętych wokół rdzenia w układzie przeciwskrętnym i połączonych trwale ze ścianami sitowymi, charakteryzuje się tym, że płaszcz składa się z dwóch jednakowych, symetrycznych części wyposażonych w połączenie śrubowokołnierzowe w połowie długości wymiennika, zaś wymienny blok wężownic osadzony jest pomiędzy elementami mocującym zamocowanymi trwale wewnątrz płaszcza. Ponadto, do każdej ściany sitowej bloku wężownic przytwierdzony jest trzpień centrująco-montażowy, stanowiący przedłużenie rdzenia, przechodzący przez centryczny otwór w elemencie mocującym i zakończony elementem złącznym.The exchanger according to the invention, having a cylindrical shell with convex ends, heating water connectors located in the exchanger axis, heated water connectors located in the cylindrical part of the shell, and a replaceable block of coils wound around the core in an anti-twist arrangement and permanently connected to the tube sheets, is characterized by the fact that the shell consists of two identical, symmetrical parts equipped with a bolt-flange connection in the middle of the exchanger's length, and the exchangeable coil block is mounted between fastening elements permanently fixed inside the shell. Moreover, a centering-assembly pin is attached to each tube sheet of the coil block, constituting an extension of the core, passing through a centric hole in the fixing element and terminated with a fastener.

Zastosowanie modułowej budowy wymiennika w oparciu o powtarzalny dzielony płaszcz i blok wężownic znacznie upraszcza technologię oraz obniża koszty produkcji, umożliwia elastyczne uzyskanie dowolnych właściwości cieplnych i hydraulicznych wymiennika przy wykorzystaniu tego samego płaszcza i wymienialnych bloków wężownic o odpowiedniej geometrii, jak również, w zależności od wymagań cieplnych, hydraulicznych lub funkcjonalnych węzła, umożliwia pracę wymiennika zarówno w układzie pionowym jak i poziomym przy dowolnym usytuowaniu króćców wody ogrzewanej w wyniku obrotu obu części płaszcza względem siebie. Układ funkcjonalno-konstrukcyjny wymiennika umożliwia ponadto łatwe przeprowadzenie przeglądu lub regeneracji bloku wężownic w okresie eksploatacji . ddowwidnnia goornerna owwiezzcnni oddy grzejnej i ogzzewanej oraz korzystne ukształtowanie poeiegrzhnn wymiany ciepła wpływa na znaczny wzrost intensywności wymiany ciepła.The use of a modular structure of the exchanger based on a repeatable split shell and a block of coils significantly simplifies the technology and reduces production costs, enables flexible obtaining of any thermal and hydraulic properties of the exchanger using the same shell and exchangeable coil blocks with appropriate geometry, as well as, depending on the requirements heating, hydraulic or functional units, allows the exchanger to work both vertically and horizontally at any location of the pipes of the water heated as a result of the rotation of both shell parts relative to each other. Moreover, the functional and structural system of the exchanger enables easy inspection or regeneration of the coil block during its operation. Due to the fact that the heat transfer and heat exchanger are very important, as well as the favorable shape of the external heat transfer, the intensity of heat exchange increases significantly.

W opisanej konstrukcji uzyskano również korzystną charakterystykę cieplno-hydrauliczną, duży stopień schłodzenia wody grzejnej oraz stabilizację parametrów cieplnych w okresie eksploatacji wymiennika.The described construction also obtained favorable thermo-hydraulic characteristics, a high degree of cooling of the heating water and stabilization of thermal parameters during the heat exchanger's operation period.

Wynalazek uwidoczniony jest w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia wymiennik w częściowym przekroju pionowym, a fig. 2 przedstawia zestaw dwóch wymienników w układzie poziomym.The invention is illustrated by an embodiment in the drawing, in which Fig. 1 shows an exchanger in a partial vertical section, and Fig. 2 shows a set of two exchangers in a horizontal configuration.

Podstawowym elementem wymiennika jest układ wężownic 9 wykonany z rurek nawiniętych spiralnie, dgzecneskgętnie wokół rdzenia 8. Końce wężownic 9 i rdzenia 8 zamocowane są trwale w ściankach sitowych 6, do których przytwierdzone są z drugiej strony gwintowane na końcach trzpienie zejtgueązo-oontażown 3. Układ wężownic 9 stanowi wraz ze ścianami sitowymi 6 wymienny blok osadzony rozłącznie pomiędzy elementami mocującymi 4 zamocowanymi trwale wewnątrz płaszcza 10 złożonego z dwóch symetrycznych, cylindrycznych części. Obie części płaszcza 10 łączone są za pomocą połączenia śrubowo-kołnierzowego 11. Element mocujący 4 ma kształt stożka przechodzącego na obwodzie w płaski kołnierz oporowy z uszczelką 5 dociskaną przez ścianę sitową 6, którego powierzchnie stożkowe zaopatrzone są w szczeliny przepływowe wody grzejnej, zaś w części środkowej stożka wykonany jest znjtgyzzjy otwór. W otworze tym umieszczony jest trzpień centrująca-montażowy 3 zaopatrzony w element złączny w postaci nakrętki. Króćce wody grzejnej 1 przymocowane są trwale do płaszcza 10 w osi wymiennika, zaś króćce wody ogrzewanej 7 przymocowane są trwale do płaszcza 10 w części ograniczonej ścianami sitowymi 6, prostopadle do osi wymiennika.The basic element of the exchanger is a coil system 9 made of spirally wound pipes, tightly around the core 8. The ends of the coils 9 and the core 8 are permanently fixed in the tube sheet walls 6, to which, on the other side, threaded pins at the ends are attached to the ends 3. Coil arrangement 9 is, together with the tube sheets 6, a replaceable block mounted detachably between the fastening elements 4 fixed permanently inside the shell 10 composed of two symmetrical, cylindrical parts. Both parts of the shell 10 are connected by means of a bolt-flange connection 11. The fastening element 4 has the shape of a cone passing along its circumference into a flat retaining flange with a gasket 5 pressed by the tube sheet 6, the conical surfaces of which are provided with heating water flow slots, and a small hole is made in the middle of the cone. In this hole there is placed a centering and assembly pin 3 provided with a fastener in the form of a nut. The heating water connectors 1 are permanently attached to the shell 10 in the exchanger axis, and the heated water connectors 7 are permanently attached to the shell 10 in the part delimited by the tube sheets 6, perpendicular to the exchanger axis.

165 412165 412

Wymiennik działa następująco: woda grzejna poprzez górny króciec 1 dostaje się· do komory 2 pomiędzy płaszczem 10 i ścianą sitową 8. Następnie przepływając przez układ wężownic· 9 oddaje moc cieplną i schłodzona dostaje się do dolnej komory 2 i poprzez dolny króciecrl opuszcza wymiennik. Woda ogrzewana dopływa do wymiennika poprzez dolny króciec 7. Następnie przepływa przez przestrzeń międzyrurkową utworzoną pomiędzy płaszczem 10 i rdzeniem 8 wymiennika omywając od zewnątrz rurki wężownic 9, ogrzewa się i opuszcza wymiennik przez górny króciec 7. Ola polepszenia szczelności połączenia ściany sitowej 6, uszczelki 5 i elementu mocującego 4, wykorzystuje się siły sprężystości układu rurek wężownic 9 oraz trzpienia centrująco-montażowego 3. Ponadto trzpień centrująco-montażowy 3 wykorzystywany jest podczas produkcji wymiennika jako uchwyt w urządzeniu do nawijania wężownic, zaś rdzeń 8, przyspawany do ściany sitowej 6, służy do przenoszenia napędu w procesie nawijania wężownic. Umożliwia to zachowanie w procesie produkcji powtarzalności wymiarów oraz osiowości bloku wężownic 9. Korzystne usytuowanie króćców wody ogrzewanej ustala się podczas montażu wymiennika przez obrót obu części płaszcza względem siebie. Możliwość funkcjonalnego łączenia wymienników w zestawy przedstawiono na fig. 2.The exchanger works as follows: the heating water enters the chamber 2 between the mantle 10 and the tube sheet 8 through the upper stub pipe 1. Then, flowing through the coil system 9, it returns the heat power and when cooled, it enters the lower chamber 2 and leaves the exchanger through the lower pipe stub. The heated water flows to the exchanger through the lower connector 7. Then it flows through the inter-tube space formed between the shell 10 and the core 8 of the exchanger, washing the coil pipes 9 from the outside, heats up and leaves the exchanger through the upper connector 7. To improve the tightness of the tube sheet connection 6, gaskets 5 and the fastening element 4, the elastic forces of the coil pipe system 9 and the centering-assembly mandrel 3 are used. In addition, the centering-assembly mandrel 3 is used during the production of the exchanger as a handle in the coil winding device, and the core 8, welded to the tube sheet 6, serves for power transmission in the coil winding process. This makes it possible to maintain the repeatability of dimensions and the alignment of the coil block 9 in the production process. The preferred location of the pipes for heated water is established during the heat exchanger assembly by rotating both shell parts relative to each other. The possibility of functional combining of exchangers into sets is shown in Fig. 2.

FIG?FIG?

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 10 000 złPublishing Department of the UP RP. Circulation of 90 copies. Price: PLN 10,000

Claims

Patent claim

A counter-flow heat exchanger having a cylindrical shell with convex ends, heating water connectors located in the heat exchanger axis, heated water connectors located in the cylindrical part of the shell, and a replaceable block of coils wound around the core in an anti-torsion system and permanently connected to the tube sheets, characterized by: that the shell / 10 / consists of two identical, symmetrical parts equipped with a bolt-flange connection in the middle of the exchanger's length, and the exchangeable coil block is mounted between the fixing elements. / 4 / permanently fixed inside the shell / 10 /, each tube sheet / 6 / block of coils has a centering-assembly pin / 3 /, constituting an extension of the core / 8 /, passing through the central hole in the fixing element / 4 / and ended with a fastener.