RU2036407C1

RU2036407C1 - Heat exchanger

Info

Publication number: RU2036407C1
Authority: RU
Inventors: Лев Абрамович Ровинский
Original assignee: Лев Абрамович Ровинский
Priority date: 1992-03-18
Filing date: 1992-03-18
Publication date: 1995-05-27

Abstract

FIELD: transfer of heat. SUBSTANCE: heat exchanger consists of cylindrical envelopes which have flanges at either end with bores and seals and branch pipes for supply and discharge of medium. Arranged in between envelopes are inserts made in form of spirals are separate members which are located circumferentially over each passage formed by two adjacent envelopes. EFFECT: enhanced efficiency. 5 cl, 4 dwg

Description

Изобретение касается устройств для теплообмена через тонкую стенку двух или более жидких сред. Подобные теплообменники широко используются практически во всех отраслях науки, техники и производства. The invention relates to devices for heat exchange through a thin wall of two or more liquid media. Such heat exchangers are widely used in almost all branches of science, technology and production.

Известны теплообменные аппараты, в которых обменивающиеся теплом жидкие среды протекают в тонких каналах, образованных концентрическими трубообразными элементами. Сюда относятся, например, хорошо известные теплообменники типа "труба в трубе", "патронные" и их различные модификации. Heat exchangers are known in which liquid exchanging heat flows in thin channels formed by concentric tube-shaped elements. This includes, for example, well-known tube-in-tube, cartridge-type heat exchangers and their various modifications.

В устройстве [1] теплообменник (ТО) типа "труба в трубе" выполнен разборным с возможностью очистки всех теплопередающих поверхностей, однако содержит криволинейные элементы-калачи, очистка внутренней поверхности которых затруднена. В устройстве [2] ТО содержит четыре коаксиальных цилиндра, из которых два внутренних вынимаются, что не позволяет иметь доступ к остальным поверхностям теплопередачи. Аналогичные недостатки и у ТО [3] в котором коаксиальные цилиндры различной длины заделаны в групповые трубные доски, что также ограничивает доступ для осмотра и очистки. In the device [1], the heat exchanger (TO) of the "pipe in pipe" type is made collapsible with the ability to clean all heat transfer surfaces, but it contains curved elements-kalachi, the cleaning of the inner surface of which is difficult. In the device [2], the maintenance unit contains four coaxial cylinders, of which two internal cylinders are removable, which does not allow access to other heat transfer surfaces. Similar disadvantages are also observed in maintenance [3] in which coaxial cylinders of various lengths are embedded in group tube boards, which also restricts access for inspection and cleaning.

Прототипом предлагаемого является [6]
Предлагаемое устройство предназначено для исключения описанных недостатков и работы в составе ТО с полным доступом ко всем поверхностям, соприкасающимся с обрабатываемыми средами. Оно должно обеспечить простоту сборки-разборки аппарата, широкие возможности изменения компоновки теплообменной части аппарата (число секций и число каналов в секциях) и типов взаимного течения сред, а также режимов их течения по отдельным секциям аппарата.The prototype of the proposed is [6]
The proposed device is designed to eliminate the described drawbacks and work as part of the maintenance with full access to all surfaces in contact with the processed media. It should provide simplicity of assembly-disassembly of the apparatus, ample opportunity to change the layout of the heat exchange part of the apparatus (number of sections and the number of channels in sections) and the types of mutual flow of media, as well as their flow regimes in individual sections of the apparatus.

Существенные признаки предлагаемого ТО: коаксиально расположенные трубообразные оболочки с наружным и внутренним фланцами каждая, отдельные патрубки к каждой из полостей, образуемых двумя соседними оболочками, единое скрепляющее весь аппарат приспособление, наличие в каждом из каналов вставок, образующих винтовые, возвратно-поступательные или иные потоки теплоагентов. Перечисленные признаки сообщают предлагаемому устройству преимущества перед известными ТО. Salient features of the proposed maintenance: coaxially arranged tube-like shells with outer and inner flanges each, separate nozzles to each of the cavities formed by two adjacent shells, a single device holding the whole apparatus together, the presence of inserts in each channel forming helical, reciprocating or other flows heat agents. These signs tell the proposed device the advantages over the known TO.

На фиг. 1 дан предлагаемый теплообменник в продольном сечении (патрубки условно развернуты в плоскости чертежа); на фиг. 2 сечение двух соседних каналов теплообмена; на фиг. 3 поперечное сечение двух любых соседних каналов теплообмена (вариант выполнения); на фиг. 4 развертка цилиндрической поверхности одной из оболочек (вариант выполнения). In FIG. 1 shows the proposed heat exchanger in longitudinal section (the pipes are conventionally deployed in the plane of the drawing); in FIG. 2 section of two adjacent heat transfer channels; in FIG. 3 is a cross section of any two adjacent heat exchange channels (embodiment); in FIG. 4 scan of the cylindrical surface of one of the shells (embodiment).

Теплообменник состоит из коаксиальных трубообразных оболочек 1, расположенных между нижней 2 и верхней 3 плитами, стянутыми стяжкой 4 (внутренней или набором наружных стяжек). Каждая (кроме крайних) оболочка имеет жестко соединенный с ней верхний 5 и нижний 6 фланцы с выполненными в них пазами и расположенными в них уплотнениями 7 любой формы (О-образные кольца, торцевые уплотнения и другие). Каждая оболочка 1 имеет верхний 8 и нижний 9 патрубки, открывающие доступ в каналы 10 и 11, образованные парой соседних оболочек. В варианте выполнения внутри канала может быть расположена спиральная (винтовая) вставка 12, 13 с различным шагом и направлением навивки. В другом варианте выполнения между любыми двумя соседними оболочками 1 могут быть расположены параллельно оси или под любым углом к ней отдельные вставки 14, 15, жестко соединенные с одной из оболочек. The heat exchanger consists of coaxial tube-shaped shells 1, located between the lower 2 and upper 3 plates, tightened by a screed 4 (internal or a set of external screeds). Each (except the extreme) shell has a top 5 and bottom 6 flanges rigidly connected to it with grooves made in them and seals 7 of any shape located in them (O-rings, mechanical seals and others). Each shell 1 has an upper 8 and lower 9 nozzles, allowing access to the channels 10 and 11, formed by a pair of adjacent shells. In an embodiment, a spiral (screw) insert 12, 13 with different pitch and winding direction can be located inside the channel. In another embodiment, between any two adjacent shells 1, individual inserts 14, 15 rigidly connected to one of the shells can be parallel to the axis or at any angle to it.

Теплообменник работает следующим образом. Набор (произвольное число) оболочек 1 входит своими верхними и нижними торцами в соответствующие проточки верхнего 5 и нижнего 6 фланцев, закрепленных на соседних оболочках. Стяжка 4 (внутренняя или наружная) сжимает одновременно весь набор оболочек, а уплотнения 7 обеспечивают герметизацию каналов 10, 11, образуемых между оболочками 1. В патрубки 8 подаются, а из патрубков 9 отводятся теплоагенты, обменивающиеся теплом в аппарате. В общем случае может быть и более двух агентов, как показано на фиг. 1-3. Потоки теплоагентов проходят по каналам 10, 11, обмениваясь теплом через стенки оболочек 1, при этом возможно любое взаимное направление потоков в двух соседних каналах: прямоток, противоток, поперечное протекание и под любым углом, как показано в варианте выполнения на фиг. 2, за счет спиральной (винтовой) вставки 12, (13), которые в двух соседних каналах могут иметь не зависимый друг от друга шаг спирали, направление навивки, переменный по ходу потока шаг, угол наклона спирали и пр. The heat exchanger operates as follows. A set (an arbitrary number) of shells 1 enters with their upper and lower ends into the corresponding grooves of the upper 5 and lower 6 flanges mounted on adjacent shells. The screed 4 (internal or external) compresses the entire set of shells at the same time, and the seals 7 provide sealing of the channels 10, 11 formed between the shells 1. Heat pipes exchanging heat pipes from the pipes 9 are removed from the pipes 9. In general, there may be more than two agents, as shown in FIG. 1-3. Heat agent flows pass through channels 10, 11, exchanging heat through the walls of shells 1, and any mutual direction of flows in two adjacent channels is possible: forward flow, counterflow, lateral flow, and at any angle, as shown in the embodiment of FIG. 2, due to the spiral (screw) insert 12, (13), which in two adjacent channels can have a spiral pitch independent of each other, the direction of winding, a step that is variable along the flow, the angle of the spiral, etc.

В варианте выполнения по фиг. 3, 4 вставки выполнены параллельно оси аппарата (как показано на фиг. 3, 4) или под произвольными углами к оси. Характерным является расположение вставок 14, 15, показанное на фиг. 4, когда вставки попеременно (через одну) расположены вплотную к верхнему или нижнему краю оболочки 1, что образует канал течения жидкости с возвратно-поступательным направлением (показано стрелками на фиг. 4 и значками

"на нас" и

"от нас" на фиг. 3). Кроме того, направление перемещения потока теплоагента внутри канала может быть либо по часовой стрелке (агент А на фиг. 3), либо против часовой стрелки (агент В на фиг. 3).In the embodiment of FIG. 3, 4 inserts are made parallel to the axis of the apparatus (as shown in Fig. 3, 4) or at arbitrary angles to the axis. The arrangement of the

inserts

14, 15 shown in FIG. 4, when the inserts are alternately (through one) close to the upper or lower edge of the shell 1, which forms a channel of fluid flow with a reciprocating direction (shown by arrows in Fig. 4 and the icons

"on us" and

“from us” in FIG. 3). In addition, the direction of movement of the heat agent flow inside the channel can be either clockwise (agent A in FIG. 3) or counterclockwise (agent B in FIG. 3).

Кроме того, не зависимое друг от друга расположение патрубков 8 и 9 допускает их произвольное соединение друг с другом и с потоками подводимых и отводимых теплоагентов. За счет этой возможности устройство может обеспечить теплообмен двух или более сред между собой, а также различную компоновку аппарата, например, часть каналов может быть объединена в несколько пакетов, внутри которых агент движется параллельно по каждому из каналов пакета, а пакеты могут быть соединены между собой и параллельно, и последовательно. Внутри пакета направление течение агента в каждом из каналов пакета может быть попутным, встречным или под произвольным углом друг к другу, а между пакетами также не зависимыми для конкретного случая требований к процессу теплопередачи. In addition, the location of the nozzles 8 and 9, independent of each other, allows their arbitrary connection with each other and with the flows of supplied and removed heat agents. Due to this possibility, the device can provide heat exchange of two or more media with each other, as well as a different arrangement of the device, for example, part of the channels can be combined into several packets, inside which the agent moves in parallel along each of the channels of the packet, and the packets can be interconnected both in parallel and in series. Inside the packet, the direction of flow of the agent in each of the channels of the packet can be associated, oncoming, or at an arbitrary angle to each other, and between the packets are also independent of the requirements for the heat transfer process for a particular case.

После этого изменение шага навивки вставки 12, (13) или шага между вставками 14, 15 позволяет изменять в нужном направлении скорость течения агентов по каналам в пределах одного пакета и от пакета к пакету. Например, если некоторый агент при охлаждении увеличивает свою вязкость, то возможно прогрессивное увеличение сечения его потока и обеспечение таким образом требуемого профиля скорости протекания агента по всему пути внутри аппарата. Последнее позволяет обеспечить управляемую производительность установки, ее тепловые и гидравлические характеристики, реологические изменения свойств агента в процессе теплообмена. After that, changing the winding step of the insert 12, (13) or the step between the inserts 14, 15 allows you to change in the desired direction the speed of the flow of agents through the channels within one package and from package to package. For example, if a certain agent increases its viscosity during cooling, it is possible to progressively increase the cross section of its flow and thus provide the desired profile of the rate of flow of the agent all the way inside the apparatus. The latter allows you to provide controlled installation performance, its thermal and hydraulic characteristics, rheological changes in the properties of the agent during heat transfer.

Преимущества устройства в простоте конструкции:
возможность полного доступа ко всем поверхностям теплопередачи, легкая сборка-разборка;
широкий диапазон в пределах одного аппарата компоновки секций теплопередачи (числа пакетов и каналов в пакетах);
широкий диапазон выбора направлений взаимного протока теплоагента (см. выше);
возможность управляемого выбора скоростей потоков, тепловых и гидравлических характеристик аппарата.The advantages of the device in the simplicity of design:
the possibility of full access to all heat transfer surfaces, easy assembly-disassembly;
a wide range within the same apparatus for arranging heat transfer sections (number of packets and channels in packets);
a wide range of choice of directions of the mutual flow of the heat agent (see above);
the possibility of a controlled choice of flow rates, thermal and hydraulic characteristics of the apparatus.

Возможность осуществления: разработана документация, методика расчета аппарата на заданные условия, испытан опытный образец. Possibility of implementation: documentation has been developed, a methodology for calculating the apparatus for given conditions, a prototype is tested.

Claims

1. HEAT EXCHANGER with nozzles for supplying and discharging coolants, containing coaxial cylinders connected by a single fastening device with the formation of channels, in the cavity of each of which at least one insert is located, characterized in that each cylinder, except the extreme ones, is equipped with inner and outer flanges with grooves connected through the sealing elements to the ends of the adjacent cylinders, and the nozzles are located on the cylinders, and at the extreme one at one of the ends, and at the intermediate two at the opposite end faces.

2. The heat exchanger according to claim 1, characterized in that the cylinders are made in the form of shells open from both ends.

3. The heat exchanger according to claims 1 and 2, characterized in that the nozzles are located between the end of the shell and the flange closest to this end.

4. The heat exchanger according to claims 1 and 2, characterized in that the inserts in the channels are rigidly connected to one of the shells and are made in the form of spirals with parameters varying along the length of the insert and from one insert to another.

5. The heat exchanger according to claims 1 and 2, characterized in that the inserts are made in the form of separate elements located along the perimeter of the channel parallel to each other with alternately adjacent to its opposite ends and connected to one of the shells with the formation of a zigzag path, while the elements are installed with varying along the length of the channel, and from channel to channel step and angle of inclination to the generatrix of the cylinder.