RU2080536C1

RU2080536C1 - Heat exchanger

Info

Publication number: RU2080536C1
Application number: RU94001217A
Authority: RU
Inventors: Н.С. Артемов; Э.И. Симаненков; В.Н. Артемов; В.П. Ильин
Original assignee: Тамбовское акционерное общество открытого типа "Комсомолец"
Priority date: 1994-01-12
Filing date: 1994-01-12
Publication date: 1997-05-27

Abstract

FIELD: heat exchange device used in diaphragm technique for thermostating media being treated and products of diaphragm separation; alcohol producing apparatus for condensation processes in gas-containing system. SUBSTANCE: heat-transfer agent is fed via branch pipe 6 to housing 1 where it flows first through upper passage between ferrules 2 and 3 as far as partition 4 at high velocity and then it enters lower passage through branch pipe 5 where reduction in speed is compensated for by increased velocity of heating surface, after which it is discharged through branch pipe 7. Heat is removed from outer surface of pipe due to natural convection of liquid contained in volume of starting water reservoir of diaphragm plant. When heat exchanger is used as condenser, cooled liquid is fed to passages of heat exchanger and steam is supplied to outer surface of heat exchanger from below; during interaction with cooled walls 2 and 3, steam is condensed and condensate flows down in form of film. Having come to additional ferrule, liquid flow gets broken and flows down this ferrule, thus freeing the sections of outer wall of heat exchanger for interaction with steam medium. EFFECT: enhance efficiency. 4 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к теплообменным устройствам, используемым в мембранной технике для термостатирования обрабатываемых сред и продуктов мембранного разделения и в аппаратах спиртового производства для проведения процессов конденсации в системах, содержащих газы. The invention relates to heat exchangers used in membrane technology for thermostating of processed media and membrane separation products and in alcohol production apparatus for carrying out condensation processes in systems containing gases.

Известен спиральный теплообменник, содержащий поярусно размещенные секции цилиндрических трубчатых спиралей, подключенных к раздающим и собирающим коллекторам, смежные витки спиралей каждой секции расположены с зазором друг к другу, причем входные и выходные участки спиралей размещены между витками последних, огибая их с внутренней и наружной стороны. (См. например, авт.св. СССР N 1758380, кл. 5F 28D 1/047,F 28F 21/06). Known spiral heat exchanger containing tiered sections of cylindrical tubular spirals connected to distributing and collecting manifolds, adjacent turns of spirals of each section are located with a gap to each other, and the input and output sections of the spirals are located between the turns of the latter, enveloping them from the inside and outside. (See, for example, ed. St. USSR N 1758380, class 5F 28D 1/047, F 28F 21/06).

Недостатками такого устройства и вообще спиральных теплообменников являются:
повышенная материалоемкость из-за недостаточной эффективности теплообмена: участки внешней поверхности спирального теплообменника, находящиеся в межвитковом пространстве и в верхней части теплообменника из-за меньшего перепада температур при взаимодействии со средой обеспечивают меньшую теплоотдачу:
сложность очистки поверхности от загрязняющих веществ и отложений обусловлена конфигурацией теплообменника, а также наличием устройств для фиксации участков спирали в теплообменнике:накладок, стяжек и т.п.The disadvantages of such a device and generally spiral heat exchangers are:
increased material consumption due to insufficient heat transfer efficiency: the parts of the outer surface of the spiral heat exchanger located in the inter-turn space and in the upper part of the heat exchanger due to the lower temperature difference when interacting with the medium provide less heat transfer:
the complexity of cleaning the surface from contaminants and deposits is due to the configuration of the heat exchanger, as well as the presence of devices for fixing sections of the spiral in the heat exchanger: plates, screeds, etc.

повышенная материалоемкость, а следовательно повышенные трудоемкость изготовления и стоимость. increased material consumption, and hence increased labor intensity of manufacture and cost.

Недостатки описанного выше теплообменника частично устранены в теплообменнике,содержащем пластины с трубчатыми каналами для прохода одной из сред, свернутые в спираль с образованием щелевах каналов для другой среды, причем каждая пластина состоит из плоских участков, расположенных по отношению к соседнему под углом (см.например, авт.св. СССР N 504917, кл. 2F28 D9/04). The disadvantages of the heat exchanger described above are partially eliminated in the heat exchanger containing plates with tubular channels for the passage of one of the media, rolled into a spiral with the formation of slit channels for another medium, each plate consisting of flat sections located at an angle to the adjacent one (see, for example , Aut. St. USSR N 504917, class 2F28 D9 / 04).

Такое устройство позволяет использовать вместо цельнотянутых труб листовой материал, повысить эффективность теплообмена, однако ему присущи следующие недостатки:
недостаточная эффективность теплообмена при разогреве в статике и при охлаждении, поскольку такое устройство может работать только при принудительной циркуляции среды:
сложность очистки греющих поверхностей от загрязнений и отложений из-за плохого доступа к ним.Such a device allows the use of sheet material instead of seamless pipes, to increase the efficiency of heat transfer, however, it has the following disadvantages:
insufficient heat transfer efficiency during heating in statics and during cooling, since such a device can only work with forced circulation of the medium:
the difficulty of cleaning heating surfaces from contaminants and deposits due to poor access to them.

По совокупности общих признаков в качестве прототипа выбрано устройство по авторскому свидетельству СССР N 504917). Based on the set of common features, the device according to the USSR copyright certificate N 504917) was selected as a prototype.

Задачей предлагаемого изобретения является снижение материалоемкости, упрощение обслуживания и снижение трудоемкости изготовления. The task of the invention is to reduce material consumption, simplify maintenance and reduce the complexity of manufacturing.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в теплообменнике, содержащем корпус, выполненный из пластин с трубчатыми каналами в виде зигов для прохода одной из сред, соединенными с проводящими и отводящими патрубками, пластины изогнуты с образованием цилиндрических обечаек с противонаправленными зигами и установлены одна в другой коаксиально с созданием между ними торроидальных каналов различных диаметров, снабженных поперечными перегородками, верхние и нижние кромки обечаек имеют отбортовки, а обращенные навстречу друг к другу зиги выполнены на глубину этих отбортовок и соединены между собой с образованием перемычек, между каналами выполнен соединительный патрубок, а перегородки установлены на участках между соединяющим и подводящим и отводящим патрубками, на наружной поверхности образующих каналы зигов установлены дополнительные обечайки, соединенные с ней по касательной своими верхними кромками. The solution to this problem is achieved by the fact that in a heat exchanger containing a housing made of plates with tubular channels in the form of zigzags for the passage of one of the media connected to the conductive and outlet pipes, the plates are bent to form cylindrical shells with antidirectional zigs and installed one in the other coaxially with the creation between them of torroidal channels of various diameters, equipped with transverse partitions, the upper and lower edges of the shells have flanges, and facing towards each other ridges are made to the depth of these flanges and are interconnected with the formation of jumpers, a connecting pipe is made between the channels, and partitions are installed in the sections between the connecting and supplying and outlet pipes, additional shells are installed on the outer surface of the forming channels of the ridges, connected to it by a tangent to their upper edges.

Выполнение пластин изогнутыми с образованием цилиндрических обечаек с противонаправленными зигами и установленными одна в другой коаксиально с созданием между ними торроидальных каналов различных диаметров, снабженных поперечными перегородками, обеспечивает создание кольцевого теплообменника с меньшим расходом металла на единицу теплообменной поверхности. По сравнению с прототипом конструкция исключает деформацию теплообменника под действием давления без дополнительных устройств типа кронштейнов или стяжек, обеспечивающих фиксацию элементов теплообменника, кроме того, греющие поверхности легко доступны для очистки от отложений. Для выпуска такого теплообменника не требуется сложной оснастки типа штампов, что уменьшает трудоемкость и стоимость изготовления. Выполнение верхнего и нижнего образующих каналы в форме тора зигов с различными диаметрами обеспечивает придание радиальному сечению теплообменника треугольной формы, причем вершина треугольника направлена в направлении движения внешней среды: при работе теплообменника в качестве нагревателя, установленного, например в емкости обрабатываемой среды мембранной установки, теплообменник развернут в положение, при котором меньший тор находится над большим, чем достигается интенсивное омывание греющей поверхности конвективными потоками. Наличие перегородки обеспечивает организацию потоков теплоносителя в кольцевых каналах таким образом, что оба канала, несмотря на различные диаметры, характеризуются высокой теплоотдачей: при меньшем диаметре верхнего канала скорость потока, а следовательно, и теплоотдача с единицы площади выше. Таким образом достигается повышение эффективности работы теплообменника при уменьшении его материалоемкости. The implementation of the plates curved with the formation of cylindrical shells with antidirectional ridges and installed one in the other coaxially with the creation of toroidal channels of different diameters between them, equipped with transverse baffles, provides the creation of an annular heat exchanger with a lower metal consumption per unit of heat exchange surface. Compared with the prototype, the design eliminates the deformation of the heat exchanger under pressure without additional devices such as brackets or screeds that secure the heat exchanger elements, in addition, heating surfaces are easily accessible for cleaning deposits. For the production of such a heat exchanger does not require complex equipment such as dies, which reduces the complexity and cost of manufacture. The implementation of the upper and lower forming channels in the form of a zig torus with different diameters provides a radial cross-section of the heat exchanger of a triangular shape, the top of the triangle being directed in the direction of movement of the external medium: when the heat exchanger is used as a heater installed, for example, in the tank of the medium of the membrane installation, the heat exchanger is deployed to a position in which a smaller torus is located above a larger one than intensive washing of the heating surface with convective flows is achieved and. The presence of a partition ensures the organization of coolant flows in the annular channels in such a way that both channels, despite different diameters, are characterized by high heat transfer: with a smaller diameter of the upper channel, the flow rate, and therefore the heat transfer per unit area, is higher. Thus, an increase in the efficiency of the heat exchanger with a decrease in its material consumption is achieved.

Выполнение верхних и нижних кромок обечаек с отбортовками, а обращенных навстречу друг к другу зигов на глубину этих отбортовок и соединение их между собой с образованием перемычек исключает перетекание теплоносителя из верхнего кольцевого канала в нижний и обеспечивает упрощение сборки теплообменника: для этого достаточно вдвинуть в наружную обечайку внутреннюю и соединить верхние и нижние кромки сваркой. The implementation of the upper and lower edges of the shells with flanges, and facing zigzags towards each other to the depth of these flanges and connecting them with each other with the formation of jumpers eliminates the flow of the coolant from the upper annular channel to the bottom and simplifies the assembly of the heat exchanger: for this, it is enough to slide into the outer shell inner and connect the upper and lower edges by welding.

Выполнение между каналами соединительного патрубка, и установка перегородок на участках между соединяющими, подводящим и отводящим патрубками обеспечивает наилучшую организацию потоков и следовательно, максимальное использование всей поверхности теплообмена. The implementation between the channels of the connecting pipe, and the installation of partitions in the areas between the connecting, inlet and outlet pipes provides the best organization of flows and, therefore, the maximum use of the entire heat exchange surface.

Установка на наружной поверхности образующих каналы зигов дополнительных обечаек, соединенных с ней по касательной своими верхними кромками, обеспечивает работу теплообменника в режиме конденсатора за счет разрыва пленки конденсирующейся на внешней поверхности жидкости. При уменьшении средней толщины пленки улучшаются термодинамические характеристики теплообменника, повышается его производительность и снижается материалоемкость. The installation on the outer surface of the channels forming the ridge channels of additional ridges connected to it tangentially by their upper edges ensures the operation of the heat exchanger in the condenser mode due to the rupture of the film condensing on the outer surface of the liquid. With a decrease in the average film thickness, the thermodynamic characteristics of the heat exchanger improve, its productivity increases and the material consumption decreases.

На фиг. 1 изображен теплообменник для подогрева жидкости (общий вид); на фиг. 2 то же (вид сверху); на фиг. 3 сечение по А-А; на фиг. 4 - теплообменник, работающий в режиме конденсатора (вид сверху); на фиг. 5 - общий вид конденсатора в разрезе; на фиг. 6 сечение по В-В и на фиг. 7 - сечение по Б-Б. In FIG. 1 shows a heat exchanger for heating a liquid (general view); in FIG. 2 the same (top view); in FIG. 3 section along AA; in FIG. 4 - heat exchanger operating in condenser mode (top view); in FIG. 5 is a sectional perspective view of a capacitor; in FIG. 6 a section along BB and FIG. 7 - section BB.

Теплообменник содержит корпус 1, состоящий из двух цилиндрических обечаек 2 и 3, причем обечайка 2 установлена внутри обечайки 3 и их верхние и нижние кромки герметично соединены между собой посредством сварки или пайки твердым припоем. Обечайки 2 и 3 снабжены зигами в форме полуторов, обращенных вогнутостью у внутренней обечайки 2 наружу, а у внешней внутрь и после сварки образующие два кольцевых канала, перекрытые поперечной перегородкой 4. Кроме того, на обечайках 2 и 3 выполнены также зиги параллельно образующей обечайки, которые после сборки образуют патрубок 5, соединяющий верхний и нижний кольцевые каналы между собой. Верхний канал снабжен патрубком 6 подачи теплоносителя, а нижний канал патрубком 7 отвода теплоносителя. Участки обечаек между верхними и нижними зигами снабжены зигами, направленными вогнутостью в противоположную по отношению к образующим каналы зигам сторону, причем глубина зигов соответствует диаметру кромок обечаек. The heat exchanger includes a housing 1, consisting of two cylindrical shells 2 and 3, and the shell 2 is installed inside the shell 3 and their upper and lower edges are hermetically connected to each other by welding or brazing. The shells 2 and 3 are provided with zigzags in the form of one and a half, turned concavity at the inner shell 2 to the outside, and at the outer inside and after welding, forming two annular channels overlapped by the transverse partition 4. In addition, ridges 2 and 3 also have ridges parallel to the shell which, after assembly, form a pipe 5 connecting the upper and lower annular channels to each other. The upper channel is equipped with a pipe 6 supply coolant, and the lower channel with a pipe 7 outlet coolant. The sections of the shells between the upper and lower ridges are provided with ridges directed by concavity to the opposite side with respect to the channels forming the ridges, the depth of the ridges corresponding to the diameter of the edges of the shells.

При работе в режиме конденсатора теплообменник устанавливается в положение, при котором сверху находится канал с большим диаметром и все каналы снабжены обращенными вниз дополнительными обечайками 8, соединенными с наружной поверхностью образующих каналы зигов по касательной. When operating in the condenser mode, the heat exchanger is installed in a position in which there is a channel with a large diameter on top and all channels are equipped with additional shells 8 facing down, connected to the outer surface of the zigzag channels forming tangentially.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. The proposed device operates as follows.

Теплоноситель через парубок 6 подается в корпус 1, в котором он протекает первоначально по верхнему каналу между обечайками 2 и 3 до перегородки 4 с большей скоростью, затем по патрубку 5 он поступает в нижний канал, в котором уменьшение скорости компенсируется увеличением скорости греющей поверхности, и далее выводится через патрубок 7. От наружной поверхности трубы тепло отводится за счет естественной конвекции жидкости в объеме емкости исходной воды мембранной установки, на чертеже условно не показанной. The coolant through the pipe 6 is fed into the housing 1, in which it flows initially along the upper channel between the shells 2 and 3 to the partition 4 with greater speed, then through the pipe 5 it enters the lower channel, in which the decrease in speed is compensated by the increase in the speed of the heating surface, and then it is removed through the pipe 7. Heat is removed from the outer surface of the pipe due to the natural convection of the liquid in the volume of the source water tank of the membrane unit, not conventionally shown in the drawing.

При использовании теплообменника в качестве конденсатора в каналы теплообменника подается охлаждающая жидкость, а пар поступает на внешнюю поверхность теплообменника снизу, при взаимодействии с охлаждаемыми стенками 2 и 3 он конденсируется и стекает вниз в виде пленки жидкости. Поступая на дополнительную обечайку 8, поток жидкости разрывается и по ней стекает вниз, тем самым освобождая участки наружной стенки теплообменника для взаимодействия с паровой средой. When using the heat exchanger as a condenser, coolant is supplied to the channels of the heat exchanger, and steam enters the outer surface of the heat exchanger from below, when it interacts with the cooled walls 2 and 3, it condenses and flows down in the form of a liquid film. Entering an additional shell 8, the fluid flow breaks and flows down it, thereby freeing up sections of the outer wall of the heat exchanger for interaction with the vapor medium.

Использование предлагаемого устройства позволяет одновременно увеличить долю контактной поверхности теплообменника, взаимодействующего с обогреваемой средой, обеспечивает лучшую организацию конвективных потоков. Using the proposed device allows you to simultaneously increase the proportion of the contact surface of the heat exchanger interacting with the heated medium, provides a better organization of convective flows.

Теплообменный элемент характеризуется высокой эксплуатационной ненадежностью, так как обычно работает при малых перепадах давления, а конфигурация каналов обеспечивает хорошее перемешивание теплоносителя благодаря центробежным силам и изменению направления движения его на 180^o при перетекании из верхнего канала в нижний. Поверхность его доступна для очистки в процессе эксплуатации.The heat exchange element is characterized by high operational unreliability, since it usually works at low pressure drops, and the channel configuration provides good mixing of the coolant due to centrifugal forces and a change in its direction of motion by 180 ^o when flowing from the upper channel to the lower. Its surface is available for cleaning during operation.

Использование изобретения позволяет повысить эксплуатационную надежность, снизить материалоемкость упростить обслуживание. The use of the invention improves operational reliability, reduces material consumption, simplifies maintenance.

Claims

1. A heat exchanger comprising a housing made of plates with tubular channels in the form of zigs for passing one of the media connected to the inlet and outlet pipes, characterized in that the plates are bent to form cylindrical shells with counter-directional zigs and installed one in the other coaxially with the creation between them toroidal channels of various diameters equipped with transverse partitions.

2. The heat exchanger according to claim 1, characterized in that the upper and lower edges of the shells have flanges, and the ridges facing each other are made to the depth of these flanges and are interconnected with the formation of jumpers.

3. The heat exchanger according to claim 1, characterized in that the connecting pipe is made between the channels, and the partitions are installed in the areas between the connecting and supply and outlet pipes.

4. The heat exchanger according to claim 1, characterized in that on the outer surface of the forming channels of the ridge installed additional shells connected to it tangentially by their upper edges.