PL244117B1

PL244117B1 - Płaszczowo-rurowy wymiennik ciepła z helikoidalnymi przegrodami

Info

Publication number: PL244117B1
Application number: PL438374A
Authority: PL
Inventors: Janusz PRZYBYŁA; Janusz Przybyła; Paweł Dobber
Original assignee: Famet Spolka Akcyjna
Priority date: 2021-07-07
Filing date: 2021-07-07
Publication date: 2023-12-04
Also published as: EP4367464A4; EP4367464A1; PL438374A1; US20240369305A1; EP4367464B1; EP4367464C0; WO2023282775A1

Abstract

Płaszczowo-rurowy wymiennik ciepła z helikoidalnymi przegrodami, w którym płaszcz (1) wymiennika ciepła posiada wewnątrz zewnętrzną, ciągłą przegrodę helikoidalną (8) do podparcia rur (4) zewnętrznej wiązki rur (2) oraz zintegrowaną, wewnętrzną, nieciągłą przegrodę helikoidalną (23) do podparcia rur (4) wewnętrznej wiązki rur (22). Zewnętrzna ciągła przegroda helikoidalna (8) utworzona jest z wielu głównych płaskich segmentów oraz wielu pośrednich płaskich segmentów. Wewnętrzna, nieciągła przegroda helikoidalna (23) utworzona jest z płaskich segmentów. Płaskie segmenty z pośrednimi płaskimi segmentami tworzą wspólne płaskie segmenty. Wymiennik ciepła rozwiązuje problem optymalnego ciągłego przepływu helikoidalnego charakteryzującego się wysoką wydajnością wymiany ciepła.

Description

Wynalazek dotyczy płaszczowo-rurowego wymiennika ciepła z helikoidalnymi przegrodami, używanego w różnych sektorach przemysłu, zwłaszcza w instalacjach rafineryjnych, petrochemicznych, energetyce, przemyśle metalurgicznym i innych.

Podstawowymi komponentami wymiennika ciepła jest najczęściej cylindryczny zewnętrzny płaszcz z króćcami wlotowymi i wylotowymi. Wewnątrz płaszcza umieszczona jest wiązka rur, których końce zamocowane są w płytach sitowych. Wewnątrz rur przepływa jeden płyn, natomiast w płaszczu, w przestrzeni międzyrurowej przepływa drugi płyn, tak że między nimi zachodzi wymiana ciepła. Bardzo istotną rolę spełniają tak zwane przegrody wiązki rur. Zadaniem przegród jest podpieranie rur oraz kierowanie przepływem drugiego płynu w płaszczu, tak aby uzyskać wysokie współczynniki wymiany ciepła, ograniczyć odkładanie się zanieczyszczeń w przestrzeni płaszcza oraz wyeliminować drgania rur. Poza stosowanymi tradycyjnymi przegrodami segmentowymi prostopadłymi do wiązki rur, w ostatnich kilkudziesięciu latach coraz częściej zaczęto również stosować wymienniki ciepła z przepływem helikoidalnym wewnątrz płaszcza. Znane dotychczas rozwiązania przedstawiają realizację przepływu helikoidalnego w płaszczu z zastosowaniem nieciągłych przegród helikoidalnych w postaci wielu, najczęściej ćwiartkowych segmentów rozmieszczonych pod kątem względem osi wymiennika ciepła. Takie rozwiązania przedstawiają opisy patentowe EP 1.668.306, US 2.693.942, CS 269.165, US 1.525.094, US 4.493.368, CN 2655156Y. Opisane w tych patentach nieciągłe przegrody helikoidalne powodują, że następuje w płaszczu tylko częściowo przepływ helikoidalny ponieważ, znaczna część strumienia płynu przedostaje się pomiędzy segmentami ćwiartkowymi w kierunku osiowym meandrując wzdłuż rur. Ponadto w takiej sytuacji dochodzi do wzrostu spadku ciśnienia wewnątrz płaszcza oraz gorszej wymiany ciepła. W publikacji autorów R. J. Jibb i inni, „Helixchanger Heat Exchanger - Field Experience And Ongoing Development”, konferencja: Heat Exchanger Fouling and Cleaning 2019 2-7 Czerwiec 2019, Józefów (Warszawa), opisane są wszystkie aspekty przepływu helikoidalnego w wymiennikach ciepła typu Helixchanger z użyciem nieciągłej przegrody helikoidalnej. W takich aparatach w praktyce przepływ płynu w płaszczu tylko w części zewnętrznej jest zbliżony do przepływu helikoidalnego, natomiast w części wewnętrznej - centralnej dominuje przepływ wzdłużny, charakteryzujący się niskimi współczynnikami wnikania ciepła do rur. Skutkiem tego cały wymiennik ciepła ma niższą sprawność.

Innym znanym rozwiązaniem do prowadzenia przepływu helikoidalnego w płaszczu wymiennika ciepła jest zastosowanie ciągłej przegrody helikoidalnej. Takie rozwiązania znane są z opisów patentowych US 2008/0190593, US 4.360.059 i CN 100386586C. W publikacji autorów Jiang-Feng Yang i inni, „Investigation on combined multiple shell-pass shell-and-tube heat exchanger with continuous helical baffles” www.elsevier.com Energy 115 (2016) 1572-1579 opisane są różne aspekty zastosowania ciągłej przegrody helikoidalnej.

We wszystkich dotychczas znanych z opisów patentowych oraz publikacji naukowych, wymiennikach ciepła z ciągłą przegrodą helikoidalną wykazanych jest wiele teoretycznych zalet ale mają one jeden podstawowy mankament. Tym problemem jest praktyczna, przemysłowa technologia produkcji ciągłej wstęgi helikoidalnej jako podpory dla całej wiązki rur, ponieważ w praktyce niemożliwym jest precyzyjne wykonanie wszystkich współosiowych otworów dla każdej z rur zgodnie z zaprojektowanym układem - layout’em. Layout oznacza rozmieszczenie rur w przekroju poprzecznym wiązki rur. Nawet jeśli zastosować dla zamocowania takiej przegrody helikoidalnej rurę centralną lub odrębne segmenty przegrody nieciągłej w strumieniu centralnym wymiennika ciepła, rozwiązania takie będą bardzo trudne i kosztowne do praktycznej realizacji. W celu praktycznego rozwiązania problemu przemysłowej technologii produkcji ciągłej przegrody helikoidalnej, stosowane są różnego rodzaju segmenty gięte lub nakładane na siebie, a następnie połączone ze sobą aby wymusić w płaszczu wymiennika ciepła przepływ zbliżony do helikoidalnego. Większość rozwiązań znanych między innymi z opisów patentowych: CN 105.202.948, CN 104.019.694 oraz CN 105.973.040 nie rozwiązuje optymalnego wykorzystania strumienia centralnego wymiennika ciepła. To oznacza, że w wyniku intensywnego przepływu wzdłużnego strumienia centralnego, pozostała najczęściej zdecydowanie większa część powierzchni wymiennika ciepła wykazuje małą sprawność. Ponadto produkcja takich segmentów przegrody jest nadzwyczaj skomplikowana i bardzo kosztowna. Inne podobne rozwiązanie przedstawia opis patentowy CN 110.081.762. W tym przypadku zastosowano dla lepszego wykorzystania strumienia centralnego odrębną wiązkę rur o specjalnie ukształtowanej powierzchni, innej w stosunku do pozostałych rur. Takie rozwiązanie zwiększa koszty i jest problematyczne dla czyszczenia wymiennika ciepła. Ponadto wyżej wymienione rozwiązania budowy wymienników ciepła mogą być zastosowane dla aparatów o małych rozmiarach i małych wydajnościach wymiany ciepła.

Celem wynalazku jest konstrukcja płaszczowo-rurowego wymiennika ciepła z zewnętrzną, ciągłą przegrodą helikoidalną z wykorzystaniem rury centralnej, oraz konstrukcja zewnętrznej ciągłej przegrody helikoidalnej zintegrowanej z wewnętrzną nieciągłą przegrodą helikoidalną umieszczoną w strumieniu centralnym, dla osiągnięcia wyższej wydajności wymiany ciepła i zmniejszenia oporów przepływu, a więc redukcji zużycia energii wraz ze zmniejszeniem emisji CO2. Innym celem wynalazku jest również uzyskanie dużej sztywności takiej konstrukcji oraz prosty i tani sposób precyzyjnego wykonania otworów w dużych wymiennikach ciepła zawierających kilkaset, a nawet kilka tysięcy rur.

Istota wynalazku

Istotą wynalazku jest płaszczowo-rurowy wymiennik ciepła z helikoidalnymi przegrodami zawierający: rozmieszczoną równolegle do osi płaszcza zewnętrzną wiązkę rur wokół rury centralnej lub wokół w miejscu rury centralnej dodatkowej wewnętrznej wiązki rur rozmieszczonej w strumieniu centralnym, dwie płyty sitowe do zamocowania w nich końców rur, króciec wlotowy i króciec wylotowy płaszcza, dopasowaną do wewnętrznej średnicy płaszcza zewnętrzną ciągłą przegrodę helikoidalną złożoną z płaskich segmentów i ewentualnie dodatkowo wewnętrzną nieciągłą przegrodę helikoidalną umieszczoną w strumieniu centralnym, a każda przegroda posiada liczne współosiowe otwory dla każdej rury odpowiednio jednej lub obu wiązek rur. Zewnętrzna ciągła przegroda helikoidalna utworzona jest z wielu głównych płaskich segmentów w kształcie trójkąta równoramiennego, którego podstawa ma kształt łuku wypukłego zwróconego w stronę wewnętrznej powierzchni płaszcza wymiennika ciepła, a wierzchołek tego trójkąta znajduje się na okręgu o średnicy równej średnicy zewnętrznej rury centralnej lub odpowiednio średnicy strumienia centralnego, oraz wielu trójkątnych pośrednich płaskich segmentów o kształcie trójkąta równoramiennego, którego podstawa ma kształt łuku wklęsłego zwróconego w stronę osi X-X wymiennika ciepła lub wielu trapezowych pośrednich płaskich segmentów o kształcie trapezu równoramiennego, którego jedna podstawa ma kształt łuku wypukłego zwróconego w stronę wewnętrznej powierzchni płaszcza wymiennika ciepła, a druga podstawa ma kształt łuku wklęsłego zwróconego w stronę osi X-X wymiennika ciepła. Główne płaskie segmenty z trójkątnymi lub trapezowymi pośrednimi płaskimi segmentami przylegają do siebie naprzemiennie na długości ramion i położone są względem siebie pod kątem naprzemianległym α mniejszym od 180°, a zarazem odpowiednio co drugi główny płaski segment lub co drugi trójkątny pośredni płaski segment o kształcie trójkąta równoramiennego lub co drugi trapezowy płaski segment o kształcie trapezu równoramiennego jest wzajemnie równoległy. Pośrednie trójkątne lub trapezowe płaskie segmenty są położone względem osi X-X wymiennika ciepła pod kątem β mniejszym od 90°. Natomiast wewnętrzna nieciągła przegroda helikoidalna utworzona jest z wielu płaskich segmentów, których jeden bok ma kształt łuku wypukłego przystającego do łuku wklęsłego trójkątnego pośredniego płaskiego segmentu o kształcie trójkąta równoramiennego lub do łuku wklęsłego trapezowego pośredniego płaskiego segmentu o kształcie trapezu równoramiennego i tworzą z trójkątnymi pośrednimi płaskimi segmentami lub trapezowymi pośrednimi segmentami zewnętrznej ciągłej przegrody helikoidalnej, wiele trójkątnych wspólnych płaskich segmentów lub trapezowych wspólnych płaskich segmentów przy czym wewnętrzny płaski segment wewnętrznej nieciągłej przegrody helikoidalnej posiada powierzchnię F większą od powierzchni S płaskiej figury geometrycznej podobnej do trójkąta równoramiennego, którego podstawa ma kształt łuku wypukłego przystającego do łuku wklęsłego trójkątnego pośredniego płaskiego segmentu o kształcie trójkąta równoramiennego lub do łuku wklęsłego trapezowego pośredniego płaskiego segmentu o kształcie trapezu równoramiennego zaś wierzchołek tego trójkąta znajduje się na osi X-X wymiennika ciepła. Rzut tej figury geometrycznej na płaszczyznę prostopadłą do osi X-X wymiennika ciepła odpowiada jeden czwartej lub jednej szóstej powierzchni przekroju poprzecznego strumienia centralnego zawartego w okręgu o średnicy równej średnicy strumienia centralnego. Wewnętrzne płaskie segmenty wewnętrznej nieciągłej przegrody helikoidalnej posiadają powierzchnię F większą od powierzchni S płaskiej figury geometrycznej aby pomieścić wszystkie otwory dla rur znajdujące się wewnątrz płaskiej figury geometrycznej oraz przynajmniej wszystkie pełne otwory graniczne dla rur znajdujące się na granicy płaskiej figury geometrycznej i rozmieszczone zgodnie z układem - layout’em wewnętrznej wiązki rur. Wewnętrzne płaskie segmenty wewnętrznej nieciągłej przegrody helikoidalnej mogą posiadać powierzchnię F większą od powierzchni S płaskiej figury geometrycznej aby pomieścić oprócz wszystkich otworów dla rur znajdujących się wewnątrz płaskiej figury geometrycznej oraz otworów granicznych dla rur, dodatkowe otwory dla rur rozmieszczone zgodnie z układem - layout’em wewnętrznej wiązki rur. Główne płaskie segmenty z trójkątnymi pośrednimi płaskimi segmentami lub odpowiednio trapezowymi płaskimi segmentami tworzą pary płaskich segmentów z trapezowymi pośrednimi płaskimi segmentami zewnętrznej przegrody helikoidalnej, które kolejno powtarzane n-krotnie tworzą jeden pełny skok P zewnętrznej ciągłej przegrody helikoidalnej wzdłuż osi X-X wymiennika ciepła, gdzie n równa się 4 lub 6. Istotą wynalazku jest również to, że główne płaskie segmenty z trójkątnymi wspólnymi płaskimi segmentami tworzą pary płaskich segmentów z trójkątnymi wspólnymi płaskimi segmentami zewnętrznej i wewnętrznej przegrody helikoidalnej lub odpowiednio pary płaskich segmentów z trapezowym wspólnym płaskim segmentem zewnętrznej i wewnętrznej przegrody helikoidalnej, które kolejno powtarzane n-krotnie tworzą jeden pełny skok P zewnętrznej ciągłej przegrody helikoidalnej zintegrowanej z wewnętrzną nieciągłą przegrodą helikoidalną, gdzie n równa się 4 lub 6. W preferowanym wykonaniu kąt β wynosi od 30° do 75° natomiast kąt α mieści się w przedziale od 120° do 170°. W optymalnym wykonaniu każda para płaskich segmentów wycięta jest z jednego arkusza blachy i zgięta jest pod kątem α wzdłuż ramion głównych płaskich segmentów. Łuki wypukłe trapezowych pośrednich płaskich segmentów o kształcie trapezu równoramiennego, położonych pod kątem β względem osi X-X wymiennika ciepła oraz łuki wypukłe głównych płaskich segmentów są fragmentami elipsy przy czym wszystkie te łuki w rzucie na płaszczyznę prostopadłą do osi X-X tworzą okrąg o średnicy mniejszej od 2 do 20 mm od średnicy wewnętrznej płaszcza. Równocześnie łuki wklęsłe trójkątnych pośrednich płaskich segmentów o kształcie trójkąta równoramiennego lub łuki wklęsłe trapezowych pośrednich płaskich segmentów o kształcie trapezu równoramiennego są fragmentami takiej elipsy, która w rzucie na płaszczyznę prostopadłą do osi X-X tworzy okrąg o średnicy równej zewnętrznej średnicy rury centralnej lub średnicy strumienia centralnego.

Płaszczowo-rurowy wymiennik ciepła według wynalazku z zastosowaniem rury centralnej oraz zewnętrznej ciągłej przegrody helikoidalnej zbudowanej z wielu głównych płaskich segmentów o kształcie podobnym do trójkąta równoramiennego połączonych ze sobą pośrednimi płaskimi segmentami o kształcie podobnym do trójkąta równoramiennego lub podobnym do trapezu równoramiennego, zapewnia możliwość realizacji równomiernego, optymalnego przepływu tłokowego pierwszego płynu w płaszczu wymiennika ciepła.

Płaszczowo-rurowy wymiennik ciepła według wynalazku z zewnętrzną ciągłą przegrodą helikoidalną oraz zintegrowaną z nią wewnętrzną nieciągłą przegrodą helikoidalną w strumieniu centralnym, dzięki zastosowaniu segmentów wewnętrznej nieciągłej przegrody helikoidalnej o większej powierzchni F, możliwa jest redukcja prędkości przepływu strumienia centralnego i jednocześnie zwiększenie prędkości przepływu helikoidalnego w zewnętrznej wiązce rur. Taka zmiana korzystnie wpływa na wyrównanie prędkości i zwiększenie wielkości wymiany ciepła w całym wymienniku ciepła, ponieważ zwiększa się wymiana ciepła w zewnętrznej wiązce rur. Zwiększanie powierzchni segmentów wewnętrznej nieciągłej przegrody helikoidalnej, stwarza na etapie projektowania i obliczeń cieplnych możliwość optymalizacji parametrów przepływowo cieplnych wymiennika ciepła. Dzięki temu wielkość całego wymiennika ciepła dla określonego zadania może być znacznie zmniejszona nawet o kilkanaście procent, zachowując wszystkie znane dotychczas zalety przepływu helikoidalnego w płaszczu wymiennika ciepła tzn. eliminację powstawania zanieczyszczeń, redukcję drgań rur i zwiększenie okresów eksploatacji pomiędzy remontami. Wymiennik ciepła według wynalazku może być z powodzeniem zastosowany w miejsce istniejących tradycyjnych wiązek rurowych z przegrodami segmentowymi lub tzw. helixchanger. W takich przypadkach uzyskamy redukcję zużycia energii lub zwiększenie elastyczności - wydajności całej instalacji.

Płaszczowo-rurowy wymiennik ciepła według wynalazku przedstawiony jest na rysunkach, z których:

Fig. 1 przedstawia schematycznie osiowy przekrój wymiennika ciepła z rurą centralną.

Fig. 2 przedstawia schematycznie poprzeczny przekrój wymiennika ciepła z rurą centralną.

Fig. 3 przedstawia schematycznie osiowy przekrój wymiennika ciepła z wewnętrzną nieciągłą przegrodą helikoidalną umieszczoną w strumieniu centralnym.

Fig. 4 przedstawia schematycznie poprzeczny przekrój wymiennika ciepła z wewnętrzną nieciągłą przegrodą helikoidalną umieszczoną w strumieniu centralnym.

Fig. 5 przedstawia przykład płaskiego rozwinięcia, jednego zwoju (360°) zewnętrznej ciągłej przegrody helikoidalnej, zawierające cztery pary płaskich segmentów z trójkątnym pośrednim płaskim segmentem - bez otworów dla rur.

Fig. 5A przedstawia przykład odmiennego wykonania płaskiego rozwinięcia jednego zwoju (360°) zewnętrznej ciągłej przegrody helikoidalnej, zawierające cztery pary płaskich segmentów z trapezowym pośrednim płaskim segmentem - bez otworów dla rur.

Fig. 6 przedstawia przykład płaskiego rozwinięcia, jednego zwoju (360°) zewnętrznej ciągłej przegrody helikoidalnej, zintegrowanej z segmentami wewnętrznej nieciągłej przegrody helikoidalnej, zawierające sześć par płaskich segmentów z trójkątnym wspólnym płaskim segmentem zewnętrznej i wewnętrznej przegrody helikoidalnej - bez otworów dla rur.

Fig. 6A przedstawia przykład odmiennego wykonania płaskiego rozwinięcia jednego zwoju (360°) zewnętrznej ciągłej przegrody helikoidalnej, zintegrowanej z segmentami wewnętrznej nieciągłej przegrody helikoidalnej zawierające cztery pary płaskich segmentów z trapezowym wspólnym płaskim segmentem zewnętrznej i wewnętrznej przegrody helikoidalnej - bez otworów dla rur.

Fig. 7 przedstawia część widoku czołowego wzdłuż osi X-X zewnętrznej ciągłej przegrody helikoidalnej - bez otworów dla rur.

Fig. 8 przedstawia zewnętrzną ciągłą przegrodę helikoidalną w przekroju C-C wykonaną po okręgu na pełnym obwodzie (360°).

Fig. 9 przedstawia 1/4 pełnego skoku zewnętrznej ciągłej przegrody helikoidalnej zintegrowanej z 1/4 wewnętrznej nieciągłej przegrody helikoidalnej w rzucie na płaszczyznę prostopadłą do osi X-X - bez otworów dla rur, z większą powierzchnią F wewnętrznego płaskiego segmentu (25) od powierzchni (S) figury geometrycznej (28).

Fig. 10 przedstawia trójkątny wspólny płaski segment zewnętrznej ciągłej oraz wewnętrznej nieciągłej przegrody helikoidalnej w rzucie na płaszczyznę prostopadłą do osi X-X, o powierzchni F dostatecznie dużej do pomieszczenia pełnych otworów granicznych dla rur.

Fig. 11 przedstawia trapezowy wspólny płaski segment zewnętrznej ciągłej oraz wewnętrznej nieciągłej przegrody helikoidalnej w rzucie na płaszczyznę prostopadłą do osi X-X o powierzchni F znacznie większej, do pomieszczenia dodatkowych otworów dla rur rozmieszczonych zgodnie z layout’em.

Fig. 12 przedstawia widok aksonometryczny trzech zwojów (3 x 360°) zewnętrznej ciągłej przegrody helikoidalnej zintegrowanej z wewnętrzną nieciągłą przegrodą helikoidalną z otworami dla rur i fragmentem płaszcza wymiennika ciepła.

Fig. 13 przedstawia przykładowe płaskie rozwinięcie jednego zwoju (360°) zewnętrznej ciągłej przegrody helikoidalnej zawierające sześć par płaskich segmentów z trapezowymi pośrednimi płaskimi segmentami zewnętrznej przegrody helikoidalnej do zastosowania dla wymiennika ciepła z rurą centralną.

Wykaz oznaczeń rysunkowych

1. Płaszcz

2. Zewnętrzna wiązka rur

3. Płyta sitowa

4. Rura

5. Króciec wlotowy

6. Króciec wylotowy

7. Wewnętrzna średnica płaszcza

8. Zewnętrzna ciągła przegroda helikoidalna

9. Rura centralna

10. Otwór dla rur

10A. Otwór graniczny dla rur

10B. Dodatkowy otwór dla rur

11. Główny płaski segment

12. Łuk wypukły

13. Wewnętrzna powierzchnia płaszcza

14. Trójkątny pośredni płaski segment

15. Łuk wklęsły

16. Trapezowy pośredni płaski segment

17. Łuk wypukły

18. Łuk wklęsły

19. Ramię

20. Okrąg

21. Okrąg

22. Wewnętrzna wiązka rur

23. Wewnętrzna nieciągła przegroda helikoidalna

24. Strumień centralny

25. Wewnętrzny płaski segment

26. Łuk wypukły

27. Trójkątny wspólny płaski segment

27A. Trapezowy wspólny płaski segment

28. Płaska figura geometryczna

29. Para płaskich segmentów z trójkątnym pośrednim płaskim segmentem zewnętrznej przegrody helikoidalnej

29A. Para płaskich segmentów z trapezowym pośrednim płaskim segmentem zewnętrznej przegrody helikoidalnej

30. Para płaskich segmentów z trójkątnym wspólnym płaskim segmentem zewnętrznej i wewnętrznej przegrody helikoidalnej

30A. Para płaskich segmentów z trapezowym wspólnym płaskim segmentem zewnętrznej i wewnętrznej przegrody helikoidalnej

Przykłady wykonania płaszczowo-rurowego wymiennika ciepła według wynalazku

Na Fig. 1 wymiennik ciepła posiada dwie płyty sitowe 3, w których zamocowane są końce rur 4. Przez całą zewnętrzną wiązkę rur 2 z wyłączeniem rury centralnej 9 przepływa pierwszy płyn. Króćcem wlotowym 5 do płaszcza 1 doprowadzony jest drugi płyn. Wewnątrz płaszcza 1 na rurze centralnej 9 umieszczona jest zewnętrzna ciągła przegroda helikoidalna 8, zbudowana z czterech par płaskich segmentów z trapezowymi pośrednimi płaskimi segmentami zewnętrznej przegrody helikoidalnej 29A. Wszystkie pary płaskich segmentów 29A zgodnie z rozwinięciem przedstawionym na (Fig. 5A) zostały wycięte z blachy i odpowiednio względem siebie zagięte lub połączone poprzez spawanie pod kątem α = 154° wzdłuż ramion 19. Następnie po uformowaniu jak wyżej przedstawiono, przestrzennej struktury odpowiadającej 1/4 obwodu - zwoju helikoidy, wykonane zostały otwory 10 dla rur 4 zgodnie z zaplanowanym layoutem. Tak sprefabrykowane części zmontowane są na rurze centralnej 9 zgodnie ze schematem przestawionym na przekroju (Fig. 8) z zachowaniem kąta nachylenia β = 60°. Łącznie cztery zwoje zewnętrznej ciągłej przegrody helikoidalnej o skoku P = 550 mm zostały wykonane z szesnastu głównych płaskich segmentów 11 i szesnastu trapezowych pośrednich płaskich segmentów16. Dla prawidłowego i precyzyjnego wykonania wszystkich kształtów płaskich segmentów (Fig. 5A ) został wykorzystany program komputerowy Inventor do projektowania 3D. Dzięki temu wszystkie łuki 17 oraz 12 po uformowaniu i ostatecznym zmontowaniu zewnętrznej ciągłej przegrody helikoidalnej utworzą w widoku czołowym (Fig. 2) okrąg 21 dopasowany do zewnętrznej średnicy rury centralnej 9 oraz okrąg 20 o średnicy dziesięć milimetrów mniejszej od wewnętrznej średnicy 7 płaszcza 1.

Drugim przykładem wykonania jest wymiennik ciepła (Fig. 3 i Fig. 4) posiadający dwie płyty sitowe 3, w których zamocowane są końce rur 4 zewnętrznej wiązki rur 2 oraz wewnętrznej wiązki rur 22. Przez obie wiązki rur 2 i 22 wewnątrz rur 4 przepływa pierwszy płyn. Króćcem wlotowym 5 do płaszcza 1 doprowadzony jest drugi płyn. Wewnątrz płaszcza 1 umieszczona jest zewnętrzna ciągła przegroda helikoidalna 8 zintegrowana z wewnętrzną nieciągłą przegrodą helikoidalną 23. Obie przegrody 8 i 23 zbudowane są z głównych płaskich segmentów 11 oraz trójkątnych wspólnych płaskich segmentów 27. Wszystkie pary płaskich segmentów z trójkątnym wspólnym płaskim segmentem zewnętrznej i wewnętrznej przegrody helikoidalnej zgodnie z rozwinięciem (Fig. 6), zostały wycięte z blachy i odpowiednio względem siebie zagięte lub połączone poprzez spawanie pod kątem α = 151° wzdłuż ramion 19. Następnie po uformowaniu, jak wyżej przedstawiono, przestrzennej struktury odpowiadającej 1/4 obwodu - zwoju helikoidy, wykonane zostały otwory 10 dla rur 4, zgodnie z zaplanowanym layout’em. Tak sprefabrykowane części zmontowane są w odpowiednią całość zewnętrznej ciągłej przegrody helikoidalnej 8 zintegrowanej z wewnętrzną nieciągłą przegrodą helikoidalną 23 przedstawioną przykładowo na Fig. 12. Montaż całości przeprowadzony jest analogicznie do schematu przedstawionego na przekroju (Fig. 8) z zachowaniem kąta nachylenia β = 56° trójkątnych pośrednich płaskich segmentów 14 w stosunku do osi X-X płaszcza 1. W tym przykładzie wykonania dla trzech zwojów przegrody helikoidalnej o skoku P = 900 mm zostało zastosowanych łącznie dwanaście głównych płaskich segmentów 11 oraz dwanaście trapezowych wspólnych płaskich segmentów 27. Dla prawidłowego precyzyjnego wykonania wszystkich kształtów płaskich segmentów 11 i 27 (Fig. 6A) został wykorzystany program komputerowy Inventor do projektowania 3D. Dzięki temu wszystkie łuki 12 po uformowaniu i ostatecznym zmontowaniu obu wzajemnie zintegrowanych przegród helikoidalnych 8 i 23 będą odpowiednio dopasowane do wewnętrznej średnicy 7 płaszcza 1, z zachowaniem pięciomilimetrowego luzu montażowego. W przedstawionym przykładzie wykonania wymiennika ciepła wewnętrzna nieciągła przegroda helikoidalną 23 została wykonana z dwunastu wewnętrznych płaskich segmentów 25 (Fig. 10), które posiadają powierzchnię F odpowiednio dużą aby pomieścić wszystkie otwory dla rur 10 oraz dodatkowo jedenaście pełnych otworów granicznych dla rur 10A. W tym wykonaniu wewnętrzne płaskie segmenty 25 wraz z trójkątnymi pośrednimi płaskimi segmentami 14 tworzą trójkątne wspólne segmenty 27, które zostały wycięte z jednego arkusza blachy w postaci par płaskich segmentów z trójkątnymi wspólnymi płaskimi segmentami zewnętrznej i wewnętrznej przegrody helikoidalnej 30, a następnie zagięte wzdłuż ramion 19 pod kątem α = 151°.

Wyżej przedstawione dwa przykłady wykonania nie ograniczają możliwości zbudowania innych wymienników ciepła zgodnie z wynalazkiem. Szczególnie dla dużych, nie wymienionych wcześniej, wielkości wymienników ciepła można zastosować większą ilość płaskich segmentów przedstawionych przykładowo na rysunku (Fig. 13). Do łączenia płaskich segmentów wzdłuż ramion 19 można użyć innych powszechnie znanych technik montażowych. Ponadto w oparciu o segmentową prostą budowę zewnętrznej ciągłej przegrody helikoidalnej, lub zintegrowanej z nią wewnętrznej nieciągłej przegrody helikoidalnej, można również budować wymienniki ciepła z zastosowaniem dwuzwojnej struktury przegród helikoidalnych. Opisany wynalazek nie ogranicza również budowy wymiennika ciepła z wykorzystaniem wyłącznie czterech lub sześciu par segmentów dla jednego skoku przegrody helikoidalnej. Dla względnie małego skoku helikoidy można zastosować trzy, a nawet dwie pary płaskich segmentów.

Claims

1. Płaszczowo-rurowy wymiennik ciepła z helikoidalnymi przegrodami zawierający: rozmieszczoną równolegle do osi płaszcza zewnętrzną wiązkę rur wokół rury centralnej lub wokół w miejscu rury centralnej, dodatkowej wewnętrznej wiązki rur rozmieszczonej w strumieniu centralnym, dwie płyty sitowe do zamocowania w nich końców rur, króciec wlotowy i króciec wylotowy płaszcza, dopasowaną do wewnętrznej średnicy płaszcza zewnętrzną ciągłą przegrodę helikoidalna złożona z płaskich segmentów i ewentualnie dodatkowo wewnętrzna nie\J i i i I <J ii ciągłą przegrodę helikoidalną umieszczoną w strumieniu centralnym, a każda przegroda posiada liczne współosiowe otwory dla każdej rury odpowiednio jednej lub obu wiązek rur, znamienny tym, że:

zewnętrzna ciągła przegroda helikoidalną (8) utworzona jest z wielu głównych płaskich segmentów (11) w kształcie trójkąta równoramiennego, którego podstawa ma kształt łuku wypukłego (12) zwróconego w stroną wewnętrznej powierzchni (13) płaszcza wymiennika ciepła (1), a wierzchołek tego trójkąta znajduje się na okręgu (21) o średnicy równej średnicy zewnętrznej rury centralnej (9) lub odpowiednio średnicy strumienia centralnego (24) oraz wielu trójkątnych pośrednich płaskich segmentów (14) o kształcie trójkąta równoramiennego, którego podstawa ma kształt łuku wklęsłego (15) zwróconego w stronę osi X-X wymiennika ciepła lub wielu trapezowych pośrednich płaskich segmentów (16) w kształcie trapezu równoramiennego, którego jedna podstawa ma kształt łuku wypukłego (17) zwróconego w stronę wewnętrznej powierzchni (13) płaszcza wymiennika ciepła (1), a druga podstawa ma kształt łuku wklęsłego (18) zwróconego w stronę osi X-X wymiennika ciepła, przy czym główne płaskie segmenty (11) z trójkątnymi pośrednimi płaskimi segmentami (14) o kształcie trójkąta równoramiennego lub trapezowymi pośrednimi płaskimi segmentami (16) o kształcie trapezu równoramiennego przylegają do siebie naprzemiennie na długości ramion (19) i położone są względem siebie pod kątem naprzemianległym α mniejszym od 180°, a zarazem odpowiednio co drugi główny płaski segment (11) lub co drugi trójkątny płaski segment (14) o kształcie trójkąta równoramiennego lub co drugi trapezowy pośredni płaski segment (16) o kształcie trapezu równoramiennego jest wzajemnie równoległy, przy czym trójkątne pośrednie płaskie segmenty (14) lub trapezowe pośrednie płaskie segmenty (16) są położone względem osi X-X wymiennika ciepła pod kątem β mniejszym od 90°, natomiast wewnętrzna nieciągła przegroda helikoidalna (23) utworzona jest z wielu wewnętrznych płaskich segmentów (25), których je den bok ma kształt łuku wypukłego (26) przystającego do łuku wklęsłego (15) trójkątnego pośredniego płaskiego segmentu (14) o kształcie trójkąta równoramiennego lub do łuku wklęsłego (18) trapezowego pośredniego płaskiego segmentu (16) o kształcie trapezu równoramiennego i tworzą z trójkątnymi pośrednimi płaskimi segmentami (14) lub trapezowymi pośrednimi płaskimi segmentami (16) zewnętrznej ciągłej przegrody helikoidalnej (8) wiele trójkątnych wspólnych płaskich segmentów (27) lub trapezowych wspólnych płaskich segmentów (27A) przy czym wewnętrzny płaski segment (25) wewnętrznej nieciągłej przegrody helikoidalnej (23) posiada powierzchnię F większą od powierzchni S płaskiej figury geometrycznej (28) podobnej do trójkąta równoramiennego, którego podstawa ma kształt łuku wypukłego (26) przystającego do łuku wklęsłego (15) trójkątnego pośredniego płaskiego segmentu (14) o kształcie trójkąta równoramiennego lub do łuku wklęsłego (18) trapezowego pośredniego płaskiego segmentu (16) o kształcie trapezu równoramiennego zaś wierzchołek tego trójkąta znajduje się na osi X-X wymiennika ciepła przy czym rzut tej figury geometrycznej (28) na płaszczyznę prostopadłą do osi X-X odpowiada 1/4 lub 1/6 powierzchni przekroju poprzecznego strumienia centralnego (24) zawartego w okręgu (21) o średnicy równej średnicy strumienia centralnego (24).

2. Wymiennik ciepła według zastrz. 1 znamienny tym, że:

wewnętrzne płaskie segmenty (25) wewnętrznej nieciągłej przegrody helikoidalnej (23) posiadają powierzchnię F większą od powierzchni S płaskiej figury geometrycznej (28) aby pomieścić wszystkie otwory dla rur (10) znajdujące się wewnątrz płaskiej figury geometrycznej (28) oraz przynajmniej wszystkie pełne otwory graniczne dla rur (10A) znajdujące się na granicy płaskiej figury geometrycznej (28) i rozmieszczone zgodnie z layout’em wewnętrznej wiązki rur (22).

3. Wymiennik ciepła według zastrz. 1 znamienny tym, że:

wewnętrzne płaskie segmenty (25) wewnętrznej nieciągłej przegrody helikoidalnej (23) posiadają powierzchnię F większą od powierzchni S płaskiej figury geometrycznej (28) aby pomieścić oprócz wszystkich otworów dla rur (10) znajdujących się wewnątrz płaskiej figury geometrycznej (28) oraz otworów granicznych dla rur (10A) dodatkowe otwory dla rur (10B) rozmieszczone zgodnie z layout’em wewnętrznej wiązki rur (22).

4. Wymiennik ciepła według zastrz. 1 znamienny tym, że:

główne płaskie segmenty (11) z trójkątnymi pośrednimi płaskimi segmentami (14) o kształcie trójkąta równoramiennego lub odpowiednio trapezowymi pośrednimi płaskimi segmentami (16) o kształcie trapezu równoramiennego tworzą pary płaskich segmentów z trójkątnymi pośrednimi płaskimi segmentami zewnętrznej przegrody helikoidalnej (29) lub odpowiednio pary płaskich segmentów z trapezowymi pośrednimi przegrodami zewnętrznej przegrody helikoidalnej (29A), które kolejno powtarzane n-krotnie tworzą jeden pełny skok P zewnętrznej ciągłej przegrody helikoidalnej (8) wzdłuż osi X-X wymiennika ciepła, gdzie n = 4 lub 6.

5. Wymiennik ciepła według zastrz. 1 znamienny tym, że:

główne płaskie segmenty (11) z trójkątnymi wspólnymi płaskimi segmentami (27) lub odpowiednio z trapezowymi wspólnymi płaskimi segmentami (27A) tworzą pary płaskich segmentów z trójkątnym wspólnym płaskim segmentem zewnętrznej i wewnętrznej przegrody helikoidalnej (30) lub odpowiednio pary płaskich segmentów z trapezowym wspólnym płaskim segmentem zewnętrznej i wewnętrznej przegrody helikoidalnej (30A), które kolejno powtarzane n-krotnie tworzą jeden pełny skok P zewnętrznej ciągłej przegrody helikoidalnej (8) zintegrowanej z wewnętrzną nieciągłą przegrodą helikoidalną (23), gdzie n = 4 lub 6.

6. Wymiennik ciepła według zastrz. 1 znamienny tym, że: wielkość kąta β wynosi od 30° do 75° natomiast kąt α mieści się w przedziale od 120° do 170°.

7. Wymiennik ciepła według zastrz. 1 znamienny tym, że:

każda para płaskich segmentów (29), (29A), (30) lub (30A) wycięta jest z jednego arkusza blachy i zgięta jest pod kątem α wzdłuż ramion (19) głównych płaskich segmentów (11).

8. Wymiennik ciepła według zastrz. 1 znamienny tym, że:

łuki wypukłe (17) trapezowych pośrednich płaskich segmentów (16) o kształcie trapezu równoramiennego położonych pod kątem β względem osi X-X wymiennika ciepła oraz łuki wypukłe (12) głównych płaskich segmentów (11) są fragmentami elipsy, przy czym wszystkie te łuki w rzucie na płaszczyznę prostopadłą do osi X-X tworzą okrąg (20) o średnicy mniejszej od

PL 244117 Β1

2 do 20 mm od średnicy wewnętrznej (7) płaszcza (1) i równocześnie łuki wklęsłe (15) trójkątnych pośrednich płaskich segmentów (14) o kształcie trójkąta równoramiennego lub łuki wklęsłe (18) trapezowych pośrednich płaskich segmentów (16) o kształcie trapezu równoramiennego są fragmentem takiej elipsy, która w rzucie na płaszczyznę prostopadłą do osi Χ-Χ tworzy okrąg (21) o średnicy równej zewnętrznej średnicy rury centralnej (9) lub średnicy strumienia centralnego (24).