RU158192U1

RU158192U1 - AIR CASED TUBE HEAT EXCHANGER

Info

Publication number: RU158192U1
Application number: RU2015106374/06U
Authority: RU
Inventors: Валерий Анатольевич Овчинников; Юрий Валерьевич Овчинников
Original assignee: Валерий Анатольевич Овчинников; Юрий Валерьевич Овчинников
Priority date: 2015-02-25
Filing date: 2015-02-25
Publication date: 2015-12-20

Abstract

Техническое решение относится к воздушным кожухотрубным теплообменникам и может быть использовано преимущественно в бытовых печах. Назначение теплообменника повысить кпд печи и ее тепловую мощность. Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является исключение влияния термической деформации на прочность элементов воздушного кожухотрубного теплообменника и обеспечения при этом простоты конструкции. У воздушного кожухотрубного теплообменника межтрубное пространство образовано стенками печи. В проемах двух противоположных стенок печи установлено по трубной доске. В отверстия трубных досок вставлены трубы. Их трубное пространство соединено воздуховодом с устройством, обеспечивающим прокачку воздуха отапливаемого помещения, Трубные доски имеют две стенки, между которыми зажата третья стенка из термостойкого материала с эластичными свойствами. Торцевые поверхности третьей стенки и отверстия в ней выполнены по отношению к ответным поверхностям стенок печи и труб с натягом, а торцевые поверхности наружных стенок трубной доски и отверстия в них по отношению к тем же поверхностям выполнены с гарантированным термическим зазором. Поставленная задача достигается за счет обеспечения подвижности всех элементов теплообменника относительно друг друга при их тепловом расширении без нарушения требуемой степени герметичности и без создания дополнительных усилий на стенки печи, в том числе и из кирпичной кладки. Заявленное техническое решение позволяет использовать в конструкции теплообменника тонкостенные трубы с большой плотностью трубного пучка и развитой поверхностью теплообмена. Площадь теплообмена увеличивается в несколько раз. В несколько раз уменьшается и толщина стенки трубы теплообменника. Соответственно увеличивается и интенсивность теплообмена и кпд теплообменника. Есть еще пара замечаний по поводу достоинств заявленного технического решения. С новым эффективным теплообменником наружную поверхность печи можно теплоизолировать, что обеспечит комфортность и безопасность эксплуатации печи. Этой же задаче способствует использование в конструкции трубной доски базальтового картона, который известен, прежде всего, как теплоизоляционный материал. То есть температура наружной поверхности трубной доски также может не превышать уровень комфортности и безопасности. Возможность установить теплообменник в кирпичный, классический камин позволит повысить привлекательность этого продукта на рынке товаров и услуг, так как главный и серьезный недостаток камина заключается в очень низком кпд. Прокачку воздуха через трубное пространство теплообменника можно обеспечить и с помощью вентилятора. В этом варианте движение нагретого воздуха можно пустить не к потолку, а по полу к ногам пользователя. The technical solution relates to air shell and tube heat exchangers and can be used mainly in domestic stoves. The purpose of the heat exchanger is to increase the efficiency of the furnace and its heat output. The task to which the claimed technical solution is directed is to eliminate the influence of thermal deformation on the strength of the elements of an air shell and tube heat exchanger and ensure simplicity of design. In an air shell-and-tube heat exchanger, the annulus is formed by the walls of the furnace. In the openings of two opposite walls of the furnace is installed along the tube plate. Pipes are inserted into the holes of the tube sheets. Their tube space is connected by an air duct to a device providing air pumping of a heated room. Pipe boards have two walls, between which a third wall of heat-resistant material with elastic properties is clamped. The end surfaces of the third wall and the holes in it are made with respect to the counter surfaces of the walls of the furnace and pipes with interference, and the end surfaces of the outer walls of the tube plate and the holes in them with respect to the same surfaces are made with a guaranteed thermal gap. The task is achieved by ensuring the mobility of all elements of the heat exchanger relative to each other during their thermal expansion without violating the required degree of tightness and without creating additional forces on the walls of the furnace, including brickwork. The claimed technical solution allows the use of thin-walled pipes with a high tube bundle density and a developed heat exchange surface in the heat exchanger design. The heat transfer area increases several times. The wall thickness of the heat exchanger pipe decreases several times. Accordingly, the heat exchange intensity and the efficiency of the heat exchanger increase. There are a couple of comments on the merits of the claimed technical solution. With the new efficient heat exchanger, the outer surface of the furnace can be insulated, which will ensure the comfort and safety of operation of the furnace. The same task is facilitated by the use of basalt cardboard in the design of the tube board, which is known primarily as a heat-insulating material. That is, the temperature of the outer surface of the tube plate may also not exceed the level of comfort and safety. The ability to install the heat exchanger in a brick, classic fireplace will increase the attractiveness of this product in the market of goods and services, since the main and serious drawback of the fireplace is its very low efficiency. Air pumping through the tube space of the heat exchanger can also be provided with a fan. In this embodiment, the movement of heated air can be allowed not to the ceiling, but along the floor to the feet of the user.

Description

Заявленное техническое решение относится к воздушным кожухотрубным теплообменникам и может быть использовано преимущественно в бытовых печах. Назначение теплообменника повысить кпд печи и ее тепловую мощность.The claimed technical solution relates to air shell and tube heat exchangers and can be used mainly in domestic stoves. The purpose of the heat exchanger is to increase the efficiency of the furnace and its heat output.

В настоящее время на рынке широко представлены металлические печи с воздушными кожухотрубными теплообменниками, например отопительные печи компаний «Термофор», «Теплодар», «Ермак», «Костер» и другие. Кожухотрубный теплообменник этих печей характеризуется тем, что его межтрубное пространство образовано стенками печи. В двух противоположных стенках печи жестко закреплены трубы, толщина стенки которых близка к толщине стенки печи. Трубное пространство этих труб сообщено с отапливаемым помещением. Срезы труб расположены на разных по высоте уровнях, благодаря чему воздух в трубном пространстве за счет конвекции движется снизу вверх и снимает тепло в отапливаемое помещение. Использование воздушного кожухотрубного теплообменника повышает кпд и тепловую мощность печи.At present, metal furnaces with air and shell-and-tube heat exchangers are widely represented on the market, for example, heating furnaces of Thermofor, Teplodar, Ermak, Koster and others. The shell-and-tube heat exchanger of these furnaces is characterized in that its annular space is formed by the walls of the furnace. In two opposite walls of the furnace, pipes are fixed rigidly, the wall thickness of which is close to the wall thickness of the furnace. The tube space of these pipes is communicated with a heated room. Pipe sections are located at different heights, due to which the air in the pipe space due to convection moves from the bottom up and removes heat into the heated room. The use of an air shell-and-tube heat exchanger increases the efficiency and thermal power of the furnace.

Описанная выше конструкция теплообменника соответствует и другим известным техническим решениям, например, решению по патенту RU 44168 U1 от 15.09.2004 г.или по патенту RU 16302 U1 от 13.07.2000 г.The design of the heat exchanger described above corresponds to other known technical solutions, for example, the solution according to patent RU 44168 U1 dated 09/15/2004 or according to patent RU 16302 U1 dated 07/13/2000.

Недостатком известных конструкций воздушных кожухотрубных теплообменников является:A disadvantage of the known designs of air shell and tube heat exchangers is:

1. То, что они не могут быть использованы в печах с кирпичной кладкой. Кирпичная кладка и металлические элементы теплообменника имеют разные коэффициенты теплового расширения. Если в кирпичную кладку вмонтировать элементы воздушного кожухотрубного теплообменника, то после первой же топки в кладке появятся обширные трещины. При использовании теплообменников так называемой нежесткой конструкции с компенсационными устройствами, кирпичная кладка либо также будет разрушаться, либо теплообменник будет очень сложным и дорогим в изготовлении.1. The fact that they cannot be used in brick ovens. Brickwork and metal elements of the heat exchanger have different coefficients of thermal expansion. If you install elements of an air shell-and-tube heat exchanger into the brickwork, then after the first furnace, extensive cracks will appear in the brickwork. When using heat exchangers of the so-called non-rigid design with compensation devices, the brickwork will either break down, or the heat exchanger will be very complicated and expensive to manufacture.

2. Низкий кпд теплообменников. Кпд теплообменника при прочих равных условиях тем выше, чем тоньше стенка труб и чем больше поверхность теплообмена. В известных металлических печах трубы теплообменника используются толстостенные и их количество невелико, то есть поверхность теплообмена не развита. Такая ситуация обусловлена тем, что трубы к стенкам крепятся жестко и испытывают большие напряжения из-за температурных деформаций. В этих условиях, чтобы не допустить разрушения стенок печи, труб и места их крепления все элементы стараются делать равнопрочными, то есть, трубы применяют с толщиной стенки соизмеримой с толщиной стенки печи. По этой же причине и число труб в теплообменнике невелико.2. Low efficiency of heat exchangers. The heat exchanger efficiency, ceteris paribus, the higher, the thinner the pipe wall and the larger the heat transfer surface. In known metal furnaces, heat exchanger tubes are used with thick walls and their quantity is small, that is, the heat exchange surface is not developed. This situation is due to the fact that pipes are fixed to the walls rigidly and experience high stresses due to temperature deformations. Under these conditions, in order to prevent destruction of the walls of the furnace, pipes and the place of their attachment, they try to make all elements equally strong, that is, pipes are used with a wall thickness commensurate with the wall thickness of the furnace. For the same reason, the number of pipes in the heat exchanger is small.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение является исключение влияния термической деформации на прочность элементов воздушного кожухотрубного теплообменника и обеспечения при этом простоты конструкции.The task to which the claimed technical solution is directed is to eliminate the influence of thermal deformation on the strength of the elements of an air shell and tube heat exchanger, while ensuring simplicity of design.

Данная задача решается за счет того, что в воздушном кожухотрубном теплообменнике, межтрубное пространство которого образовано стенками печи, в проемах двух противоположных стенок печи смонтировано по трубной доске. В отверстия трубных досок вставлены трубы. Их трубное пространство соединено воздуховодом с устройством, обеспечивающим прокачку воздуха отапливаемого помещения, Трубные доски имеют две стенки, между которыми зажата третья стенка из термостойкого материала с эластичными свойствами. Торцевые поверхности третьей стенки и отверстия в ней выполнены по отношению к ответным поверхностям стенок печи и труб с натягом, а торцевые поверхности двух наружных стенок трубной доски и отверстия в них по отношению к тем же поверхностям выполнены с гарантированным термическим зазором.This problem is solved due to the fact that in the air shell-and-tube heat exchanger, the annular space of which is formed by the walls of the furnace, in the openings of two opposite walls of the furnace is mounted on a tube plate. Pipes are inserted into the holes of the tube sheets. Their tube space is connected by an air duct to a device providing air pumping of a heated room. Pipe boards have two walls, between which a third wall of heat-resistant material with elastic properties is clamped. The end surfaces of the third wall and the holes in it are made with respect to the counter surfaces of the walls of the furnace and the pipes with interference, and the end surfaces of the two outer walls of the tube plate and the holes in them with respect to the same surfaces are made with a guaranteed thermal gap.

В качестве термостойкого материала с эластичными свойствами можно использовать, например, базальтовый картон.As a heat-resistant material with elastic properties, for example, basalt cardboard can be used.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является обеспечение подвижности элементов теплообменника относительно друг друга при их тепловом расширении без нарушения требуемой степени герметичности и без создания дополнительных усилий на стенки печи, в том числе и из кирпичной кладки. Этот результат позволяет использовать в конструкции теплообменника тонкостенные трубы с большой плотностью трубного пучка и развитой поверхностью теплообмена. Конструкция теплообменника при этом упрощается.The technical result provided by the given set of features is to ensure mobility of the heat exchanger elements relative to each other during their thermal expansion without violating the required degree of tightness and without creating additional forces on the walls of the furnace, including brickwork. This result allows the use of thin-walled pipes with a high tube bundle density and a developed heat exchange surface in the heat exchanger design. The design of the heat exchanger is simplified.

На фиг. 1 изображен воздушный кожухотрубный теплообменник в составе камина кирпичной кладки.In FIG. 1 shows an air shell-and-tube heat exchanger as part of a brickwork fireplace.

На фиг. 2 изображено расположение труб удлиненного профиля в трубной доске теплообменника.In FIG. 2 shows the location of elongated tubes in the tube plate of the heat exchanger.

Установленный в камине 1 воздушный кожухотрубный теплообменник 2 состоит из следующих элементов. В проеме стенки камина 1 над порталом и в стенке напротив установлены две трубные доски 3 с трубами 4. Трубные доски 3 состоят из двух стенок 5, а между ними винтами 6 зажата третья стенка 7 из базальтового картона. Стенки 5 по отношению к кирпичной кладке камина 1 установлены с тепловым зазором, а стенка 7 с натягом. Также и отверстия в стенках 5 выполнены с тепловым зазором по отношению к диаметру труб 4, а отверстия в стенке 7 выполнены с натягом. Трубы 4 в трубных досках 3 расположены в шахматном порядке. Наружные стенки 5 трубных досок 3 имеют больший размер по ширине и фиксируются в прорезях 8 кирпичной кладки камина 1. Трубы 4 от продольного смещения фиксируются на задней трубной доске 3 с помощью шплинтов 9. Над трубами 4 с левой части камина 1 установлен козырек 10. Над козырьком 10 расположен дымоход 11. Выход из трубного пространства теплообменника 2 соединен с воздуховодом 12 и направлен вверх. Таким образом, вход и выход воздуха из теплообменника 2 имеет значительный перепад высоты.Installed in the fireplace 1 air shell-and-tube heat exchanger 2 consists of the following elements. In the opening of the wall of the fireplace 1 above the portal and in the wall opposite are installed two pipe boards 3 with pipes 4. The pipe boards 3 consist of two walls 5, and between them with screws 6 a third wall 7 made of basalt cardboard is clamped. The walls 5 with respect to the brickwork of the fireplace 1 are installed with a thermal gap, and the wall 7 is tightened. Also, the holes in the walls 5 are made with a thermal gap with respect to the diameter of the pipes 4, and the holes in the wall 7 are tightened. Pipes 4 in the tube boards 3 are staggered. The outer walls 5 of the tube plates 3 are larger in width and are fixed in the slots 8 of the brickwork of the fireplace 1. Pipes 4 from longitudinal displacement are fixed on the rear tube plate 3 with cotter pins 9. A visor 10 is installed above the pipes 4 on the left side of the fireplace 1. the peak 10 is a chimney 11. The exit from the pipe space of the heat exchanger 2 is connected to the duct 12 and is directed upward. Thus, the air inlet and outlet from the heat exchanger 2 has a significant height difference.

Воздушный кожухотрубный теплообменник 2 работает следующим образом. В топке камина 1 продукты горения, поднимаются вверх до козырька 10. Далее они движутся вдоль труб 4 до конца козырька 10 и затем в дымоход 11. В трубном пространстве теплообменника 2 воздух прогревается. Нагрев воздуха в трубном пространстве теплообменника 2 и наличие перепада высоты входа и выхода воздуха обеспечивает тягу в воздуховоде 12. Иначе говоря, прокачка воздуха отапливаемого помещения по трубному пространству теплообменника 2 и, следовательно, обогрев помещения происходит за счет хорошо организованной конвекции.Air shell-and-tube heat exchanger 2 operates as follows. In the furnace of the fireplace 1, combustion products rise up to the peak 10. Then they move along the pipes 4 to the end of the peak 10 and then into the chimney 11. In the pipe space of the heat exchanger 2, the air warms up. Air heating in the tube space of the heat exchanger 2 and the presence of a difference in the height of the air inlet and outlet provides draft in the duct 12. In other words, the air of the heated room is pumped through the tube space of the heat exchanger 2 and, therefore, the room is heated due to well-organized convection.

При термической нагрузке все элементы теплообменника 2 изменяют свои геометрические размеры без силового взаимодействия, без нарушения герметичности теплообменника 2. Следует отметить, что даже поджатый базальтовый картон не является идеальным герметиком. Но поскольку в топке камина 1 при горении дров давление ниже, чем в помещении, то продукты горения наружу не проникают. Проверено, что даже в моменты временного дымления камина, например при растопке, базальтовый картон надежно герметизирует топку камина 1 от отапливаемого помещения.Under thermal load, all elements of heat exchanger 2 change their geometrical dimensions without force interaction, without violating the tightness of heat exchanger 2. It should be noted that even pressed basalt cardboard is not an ideal sealant. But since the pressure in the firebox of fireplace 1 during burning of firewood is lower than in the room, the combustion products do not penetrate outward. It has been verified that even at moments of temporary smoke in the fireplace, for example, during kindling, basalt cardboard reliably seals the fireplace insert 1 from the heated room.

Для удаления сажи с поверхности труб 4 теплообменника 2, нетрудно изготовить трубы 4 извлекающиеся из трубных досок 3. Однако если трубы 4 изготовить вытянутого профиля и расположить их в трубной доске 3 в один ряд или хотя бы друг над другом, то трубы 4 можно чистить без разборки теплообменника 2 (см. фиг. 2) При этом поверхность теплообмена останется хорошо развитой.To remove soot from the surface of the pipes 4 of the heat exchanger 2, it is easy to make pipes 4 that can be removed from the pipe plates 3. However, if the pipes 4 are made with an elongated profile and placed in the pipe board 3 in one row or at least one above the other, then the pipes 4 can be cleaned without disassembly of the heat exchanger 2 (see Fig. 2) In this case, the heat exchange surface will remain well developed.

Таким образом, заявленное техническое решение позволяет использовать в конструкции теплообменника тонкостенные трубы с большой плотностью трубного пучка и развитой поверхностью теплообмена. Площадь теплообмена увеличивается в несколько раз. В несколько раз уменьшается и толщина стенки труб теплообменника. Соответственно увеличивается интенсивность теплообмена, а значит и кпд теплообменника.Thus, the claimed technical solution allows the use of thin-walled pipes with a high tube bundle density and a developed heat exchange surface in the heat exchanger design. The heat transfer area increases several times. The wall thickness of the heat exchanger tubes decreases several times. Accordingly, the heat transfer intensity increases, and hence the efficiency of the heat exchanger.

Есть еще пара замечаний по поводу достоинств заявленного технического решения.There are a couple of comments on the merits of the claimed technical solution.

С новым эффективным теплообменником наружную поверхность печи можно теплоизолировать, что обеспечит комфортность и безопасность эксплуатации печи. Этой же задаче способствует использование в конструкции трубной доски базальтового картона, который известен, прежде всего, как теплоизоляционный материал. То есть температура наружной поверхности трубной доски также может не превышать уровень комфортности и безопасности.With the new efficient heat exchanger, the outer surface of the furnace can be insulated, which will ensure the comfort and safety of operation of the furnace. The same task is facilitated by the use of basalt cardboard in the design of the tube board, which is known primarily as a heat-insulating material. That is, the temperature of the outer surface of the tube plate may also not exceed the level of comfort and safety.

Возможность установить теплообменник в кирпичный, классический камин позволит повысить привлекательность этого продукта на рынке товаров и услуг, так как главный и серьезный недостаток камина заключается в очень низком кпд. Прокачку воздуха через трубное пространство теплообменника можно обеспечить и с помощью вентилятора. В этом варианте движение нагретого воздуха можно пустить не к потолку, а по полу к ногам пользователя.The ability to install the heat exchanger in a brick, classic fireplace will increase the attractiveness of this product in the market of goods and services, since the main and serious drawback of the fireplace is its very low efficiency. Air pumping through the tube space of the heat exchanger can also be provided with a fan. In this embodiment, the movement of heated air can be allowed not to the ceiling, but along the floor to the feet of the user.

Claims

1. An air shell-and-tube heat exchanger, characterized in that its annular space is formed by the walls of the furnace, and in the openings of two opposite walls are fixed along the tube plate, pipes are inserted into the openings of the tube plates, the tube space of which is connected by an air duct to a device that allows air to be pumped through the tube through the tube space, while the tube boards have two walls, between which a third wall is clamped from a heat-resistant material with elastic properties, and the end faces are NOSTA third wall and openings are made therein with respect to the mating surfaces of the walls of the furnace tubes and tubes with an interference fit, and the end faces of the two outer walls of the tube plate and the openings therein with respect to the same surfaces formed with guaranteed thermal gap.

2. An air shell-and-tube heat exchanger according to claim 1, characterized in that basalt cardboard is used as a heat-resistant material with elastic properties.

3. Air shell-and-tube heat exchanger for a household stove according to claim 1, characterized in that the heat exchanger tubes are thin-walled.

4. An air shell-and-tube heat exchanger for a household stove according to claim 3, characterized in that the heat exchanger tubes in cross section are elongated upward and arranged one above the other.