RU2192593C1

RU2192593C1 - Helical heat exchanger

Info

Publication number: RU2192593C1
Application number: RU2001134216A
Authority: RU
Inventors: А.Н. Орберг; Е.П. Шевченко; В.В. Виноградов
Original assignee: Закрытое акционерное общество "ОРМА"
Priority date: 2001-12-11
Filing date: 2001-12-11
Publication date: 2002-11-10

Abstract

FIELD: heat-exchange engineering; heating or cooling liquid and gaseous media. SUBSTANCE: helical heat exchanger has shell with inlet and outlet branch pipes for passing of first heat-exchange medium with guides of its flow and sections of helical heat- exchange tubes located at spaced relation inside shell in parallel relative to one another; they are connected with inlet and outlet collectors of second heat-exchange medium; their turns tightly adjoin each other and their ends are fitted at spaced relation in inner central passage formed by central heat-exchange tubes; flow guides of first heat-exchange medium on the outside of helical heat-exchange tubes are formed by sections of helical heat- exchange tubes of second heat-exchange medium; passages for flow of medium to outlet branch pipe of first heat-exchange medium are provided with radial guide fins; ratio of external diameter of tubes in each section to their inner diameter ranges from 1.5 to 3 and ratio of diameter of heat-exchange tube to width of passage for flow of first heat-exchange medium ranges from 2 to 10. EFFECT: intensification of heat-exchange process at reduced power requirements. 2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к теплообменной технике, в частности к кожухотрубным теплообменникам, используемым для подогрева или охлаждения как жидких, так и газообразных сред. The invention relates to heat transfer technology, in particular to shell-and-tube heat exchangers used for heating or cooling both liquid and gaseous media.

Известен теплообменник, содержащий кожух с поярусно размещенными внутри него секциями трубчатых спиралей, расположенных вокруг центральной трубы, разделенной продольной перегородкой на входной и выходной коллекторы, причем к первому подключены входные участки спиралей первой секции, а ко второму - выходные участки спиралей последней секции, при этом секции соединены между собой с помощью переходников, размещенных вне кожуха, а спирали в смежных ярусах имеют противоположную закрутку (авторское свидетельство 557251, кл. F 28 D 7/04, опубл. 05.05.77). A heat exchanger is known, comprising a casing with sections of tubular spirals arranged tiered inside it located around a central pipe divided by a longitudinal partition into input and output collectors, the input sections of the spirals of the first section connected to the first and the output sections of the spirals of the last section connected to the second, the sections are interconnected using adapters located outside the casing, and the spirals in adjacent tiers have the opposite twist (copyright certificate 557251, class F 28 D 7/04, publ. 05.05.77).

Недостатком данного теплообменника является размещение переходников вне кожуха, что не допускает возможности ремонта и технологической очистки спиральных секций теплообменника без полного демонтажа конструкции. The disadvantage of this heat exchanger is the placement of adapters outside the casing, which does not allow repair and technological cleaning of spiral sections of the heat exchanger without complete dismantling of the structure.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является спиральный теплообменник, содержащий корпус с входным и выходным патрубками для прохода первой теплообменной среды и с направляющей его потока, выполненной в виде вертикальной разделительной стенки, изготовленной из металлической ленты, скрученной в спираль, в которой зафиксированы параллельные друг другу секции спиральных теплообменных труб, которые в каждой секции выполнены с плотно прилегающими друг к другу витками, причем концы каждой трубы подсоединены к входному и выходному коллекторам второй теплообменной среды, один из которых расположен с зазором во внутреннем центральном канале, образованном спиральными теплообменными трубами, а другой - снаружи спиралей теплообменных труб, при этом направляющие потока первой теплообменной среды выполнены секциями спиральных теплообменных труб второй теплообменной среды, образующими каналы для прохода через них к выходному патрубку первой теплообменной среды (патент Франции 2308071, кл. F 28 D 7/04, опубл. 12.11.76 - прототип). The closest to the proposed technical essence and the achieved result is a spiral heat exchanger containing a housing with inlet and outlet pipes for the passage of the first heat transfer medium and with its flow guide, made in the form of a vertical separation wall made of a metal tape twisted into a spiral, in which sections of spiral heat transfer tubes parallel to each other are fixed, which in each section are made with tightly adjoining turns, the ends of each pipe would be connected to the inlet and outlet manifolds of the second heat-transfer medium, one of which is located with a gap in the inner central channel formed by the spiral heat-exchange tubes, and the other outside the spirals of the heat-exchange tubes, while the flow guides of the first heat-exchange medium are made by sections of the spiral heat-exchange tubes of the second heat-exchange medium forming channels for passage through them to the outlet of the first heat transfer medium (French patent 2308071, cl. F 28 D 7/04, publ. 12.11.76 - prototype).

Недостатком конструкции известного спирального теплообменника является слабая интенсивность теплообмена. The disadvantage of the design of the known spiral heat exchanger is the low heat transfer rate.

Технической задачей изобретения является создание новой конструкции спирального теплообменника с повышенной интенсивностью теплообмена. An object of the invention is the creation of a new design of a spiral heat exchanger with increased heat transfer intensity.

Поставленная задача решается при создании конструкции спирального теплообменника, содержащего корпус с входным и выходным патрубками для прохода первой теплообменной среды и с направляющими ее потока, а также с размещенными с зазором внутри него параллельными друг другу секциями спиральных теплообменных труб, которые в каждой секции выполнены с плотно прилегающими друг к другу витками, причем концы каждой трубы подсоединены к входному и выходному коллекторам второй теплообменной среды, один из которых расположен с зазором во внутреннем центральном канале, образованном спиральными теплообменными трубами, а другой - снаружи спиралей теплообменных труб, при этом направляющие потока первой теплообменной среды выполнены секциями спиральных теплообменных труб второй теплообменной среды, образующими каналы для прохода через них к выходному патрубку первой теплообменной среды, в котором, согласно изобретению, в каналах для прохода к выходному патрубку первой теплообменной среды размещены радиальные направляющие ребра, при этом отношение наружного диаметра спиралей теплообменных труб в каждой секции к внутреннему диаметру составляет 1,5-3, а отношение диаметра теплообменной трубы к ширине канала для прохода первой теплообменной среды составляет 2-10. The problem is solved when creating the design of a spiral heat exchanger containing a housing with inlet and outlet pipes for the passage of the first heat transfer medium and with its flow guides, as well as with parallel to each other sections of spiral heat transfer tubes placed with a gap inside each section, which in each section are made with tight adjacent turns, and the ends of each pipe are connected to the input and output headers of the second heat-transfer medium, one of which is located with a gap in the inner the central channel formed by the spiral heat exchange tubes and the other outside the spirals of the heat exchange tubes, while the flow guides of the first heat transfer medium are made by sections of the spiral heat transfer tubes of the second heat transfer medium, forming channels for passage through them to the outlet pipe of the first heat transfer medium, in which, according to of the invention, in the channels for passage to the outlet pipe of the first heat transfer medium, radial guide ribs are placed, while the ratio of the outer diameter of the spirals is loobmennyh tubes in each section to the inner diameter of 1.5-3, while the ratio of the diameter of the heat exchange tube to the width of the channel for the passage of the first heat exchange medium is 2-10.

В таком спиральном теплообменнике, согласно изобретению, во входном патрубке может быть установлен конусный обтекатель для потока первой теплообменной среды. In such a spiral heat exchanger according to the invention, a conical fairing for the flow of the first heat exchange medium can be installed in the inlet pipe.

Размещение в каналах для прохода к выходному патрубку первой теплообменной среды радиальных направляющих ребер, а также соблюдение отношения наружного диаметра спиралей теплообменных труб в каждой секции к внутреннему диаметру, лежащего в пределах 1,5-3, а отношения диаметра теплообменной трубы к ширине канала для прохода первой теплообменной среды, лежащего в пределах 2-10 повышает интенсивность теплообмена. Placement of radial guide ribs in the channels for the passage to the outlet of the first heat-transfer medium of the first heat exchanger, as well as respect for the ratio of the outer diameter of the spirals of the heat-exchange tubes in each section to the inner diameter, lying within 1.5-3, and the ratio of the diameter of the heat-exchange pipe to the width of the passage for passage the first heat transfer medium lying in the range of 2-10 increases the intensity of heat transfer.

Возможная установка во входном патрубке корпуса конусного обтекателя для потока первой теплообменной среды способствует непосредственному направлению ее к периферии внутреннего объема корпуса, то есть к началу прохода среды по каналам, образованным секциями спиральных теплообменных труб, что еще больше повышает интенсивность теплообмена. The possible installation of a conical radome in the inlet of the casing for the flow of the first heat-transfer medium contributes to its direct direction to the periphery of the internal volume of the casing, i.e., to the beginning of the passage of the medium through the channels formed by the sections of spiral heat-exchange tubes, which further increases the heat transfer rate.

Пограничные значения предела (1,5-3), в котором расположены значения отношений наружного диаметра спиралей теплообменных труб в каждой секции к ее внутреннему диаметру, которые обеспечивают решение технической задачи, являются оптимальными. Так при значениях отношений, меньших 1,5, которое является границей экономической эффективности, для решения технической задачи требуется установка неоправданно многого количества секций таких спиралей. При значениях отношений, больших 3, эффективность крайних наружных рядов витков спиралей снижается: для теплоносителя внутри спиральных труб из-за увеличения диаметра спирали, а для теплоносителя снаружи спиральных труб из-за уменьшения скорости потока к наружным виткам. Таким образом, при значениях отношения наружного диаметра спиралей теплообменных труб в каждой секции меньших 1,5 и больших 3 снижается интенсивность теплообмена. The boundary values of the limit (1.5-3), in which are located the ratios of the outer diameter of the spirals of the heat-exchange tubes in each section to its inner diameter, which provide a solution to the technical problem, are optimal. So, with relations less than 1.5, which is the limit of economic efficiency, the solution of a technical problem requires the installation of an unjustifiably large number of sections of such spirals. For ratios greater than 3, the efficiency of the outermost rows of spiral turns decreases: for the coolant inside the spiral pipes due to an increase in the diameter of the spiral, and for the coolant outside the spiral pipes due to a decrease in the flow rate to the outer turns. Thus, when the ratio of the outer diameter of the spirals of the heat transfer tubes in each section is less than 1.5 and greater than 3, the heat transfer intensity decreases.

Пограничные значения предела (2-10), в котором расположены значения отношений диаметра теплообменной трубы в каждой секции к ширине прохода теплоносителя между секциями, которые обеспечивают решение технической задачи, являются оптимальными. The boundary values of the limit (2-10), in which the values of the ratios of the diameter of the heat transfer pipe in each section to the width of the coolant passage between the sections are located, which provide a solution to the technical problem, are optimal.

Так при значениях отношений, меньших 2, канал между секциями получается достаточно широким, чтобы выступы труб создали достаточную для обеспечения высокой степени интенсивности теплообмена турбулентность теплоносителя. При значениях отношений, больших 10, увеличиваются гидравлические сопротивления в канале между секциями. Однако наряду с некоторым повышением интенсивности теплообмена значительно возрастают энергетические расходы на преодоление потоком теплоносителя гидравлических сопротивлений в каналах между секциями спиральных теплообменных труб. So, for ratios less than 2, the channel between the sections is wide enough so that the protrusions of the pipes create turbulence of the coolant sufficient to ensure a high degree of heat transfer intensity. When the ratio is greater than 10, the hydraulic resistance in the channel between the sections increases. However, along with a slight increase in the heat transfer intensity, the energy expenditures for overcoming the hydraulic resistance in the channels between the sections of the spiral heat exchange tubes increase significantly.

Таким образом, при значениях отношений диаметра теплообменной трубы в каждой секции к ширине прохода теплоносителя между секциями, меньшими 2, снижается интенсивность теплообмена, а при значениях этих отношений, больших 10, интенсивность теплообмена возрастает экономически неоправданно по сравнению с расходами, идущими на обеспечение энергетических затрат процесса. Thus, when the ratio of the diameter of the heat exchanger pipe in each section to the width of the coolant passage between the sections is less than 2, the heat exchange intensity decreases, and when the values of these relations are greater than 10, the heat exchange intensity increases economically unjustifiably in comparison with the costs associated with ensuring energy costs process.

Сопоставительный анализ заявляемого спирального теплообменника и прототипа выявляет наличие отличительных признаков у заявляемого устройства по сравнению с наиболее близким аналогом, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию "новизна". A comparative analysis of the inventive spiral heat exchanger and the prototype reveals the presence of distinctive features of the claimed device in comparison with the closest analogue, which allows us to conclude that the proposed solution meets the criterion of "novelty."

Наличие отличительных признаков дает возможность получить положительный эффект, заключающийся в создании новой конструкции спирального теплообменника с повышенной интенсивностью теплообмена. The presence of distinctive features makes it possible to obtain a positive effect, which consists in creating a new design of a spiral heat exchanger with increased heat transfer intensity.

Поскольку при исследовании объекта изобретения по патентной и научно-технической литературе не выявлено решений, содержащих признаки заявляемого изобретения, отличные от прототипа, следует сделать вывод, что заявляемое изобретение соответствует критерию "существенные отличия". Since when examining the object of the invention in patent and scientific literature, no solutions were found containing the features of the claimed invention other than the prototype, it should be concluded that the claimed invention meets the criterion of "significant differences".

Использование заявляемого изобретения в теплообменной технике обеспечивает ему соответствие критерию "промышленная применимость". The use of the claimed invention in heat transfer technology ensures that it meets the criterion of "industrial applicability".

Конструкция, соответствующая заявляемому изобретению, изображена на чертеже, на котором на фиг.1 представлен общий вид в разрезе заявляемого теплообменника, на фиг.2 - разрез по А-А, на фиг.3 представлено направление движения теплообменной среды в межспиральном канале. The structure corresponding to the claimed invention is shown in the drawing, in which Fig. 1 shows a general sectional view of the inventive heat exchanger, Fig. 2 is a section along AA, Fig. 3 shows the direction of movement of the heat exchange medium in the intercooled channel.

В спиральном теплообменнике, содержащем корпус 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками для прохода первой теплообменной среды и с направляющими ее потока, а также с размещенными с зазором 4 внутри него параллельными друг другу секциями 5 спиральных теплообменных труб 6, которые в каждой секции выполнены с плотно прилегающими друг к другу витками, причем концы каждой трубы подсоединены к входному 7 и выходному 8 коллекторам второй теплообменной среды, один из которых 8 расположен с зазором во внутреннем центральном канале 9, образованном спиральными теплообменными трубами 6, а другой коллектор 7 расположен снаружи спиральных секций 5, направляющие потока первой теплообменной среды выполнены секциями 5 спиральных теплообменных труб 6 второй теплообменной среды, образующими каналы 10 для прохода первой теплообменной среды к выходному патрубку 3 в зависимости от конструкции теплообменника либо через внутренний центральный канал 9, либо через зазор 4, в каналах 10 размещены радиальные направляющие ребра 11, при этом отношение наружного диаметра спирали труб в каждой секции 5 к внутреннему диаметру составляет 1,5-3, а отношение диаметра трубы 6 к ширине канала 10 составляет 2-10. In a spiral heat exchanger comprising a housing 1 with inlet 2 and outlet 3 nozzles for the passage of the first heat exchange medium and with its flow guides, as well as with parallel to each other sections 5 of the spiral heat transfer tubes 6 arranged with a gap 4 inside each section, which are made with tightly adjacent to each other coils, and the ends of each pipe are connected to the input 7 and output 8 of the collectors of the second heat transfer medium, one of which 8 is located with a gap in the inner Central channel 9, formed by a spiral heat exchange tubes 6, and another collector 7 is located outside of the spiral sections 5, the flow guides of the first heat transfer medium are made by sections 5 of the spiral heat exchange tubes 6 of the second heat transfer medium, forming channels 10 for the passage of the first heat transfer medium to the outlet pipe 3 depending on the design of the heat exchanger or the inner central channel 9, or through the gap 4, in the channels 10 there are radial guide ribs 11, while the ratio of the outer diameter of the pipe spiral in each section 5 to the inner in diameter is 1.5-3, and the ratio of the diameter of the pipe 6 to the width of the channel 10 is 2-10.

В таком спиральном теплообменнике во входном патрубке 2 корпуса 1 может быть установлен конусный обтекатель 12 для потока первой теплообменной среды. In such a spiral heat exchanger in the inlet pipe 2 of the housing 1 can be installed conical fairing 12 for the flow of the first heat transfer medium.

Спиральный теплообменник работает следующим образом. Spiral heat exchanger operates as follows.

Первая теплообменная среда проходит через входной патрубок 2 и далее радиально по каналам 10, образованным плоскими секциями 5 спиральных теплообменных труб 6 к выходному патрубку 3. The first heat transfer medium passes through the inlet pipe 2 and then radially through the channels 10 formed by the flat sections 5 of the spiral heat exchange tubes 6 to the outlet pipe 3.

Вторая теплообменная среда проходит внутри спиральных теплообменных труб 6 секций 5 от входного коллектора 7 к выходному коллектору 8. The second heat transfer medium passes inside the spiral heat exchange tubes 6 sections 5 from the inlet manifold 7 to the outlet manifold 8.

Размещение в каналах 10 радиальных направляющих ребер 11, а также соблюдение отношения наружного диаметра спирали 6 в каждой секции 5 к внутреннему диаметру, лежащего в пределах 1,5-3, и соблюдение отношения диаметра трубы 6 к ширине канала 10, лежащего в пределах 2-10, повышает интенсивность теплообмена в теплообменнике по сравнению с прототипом. Placement in the channels 10 of the radial guide ribs 11, as well as observing the ratio of the outer diameter of the spiral 6 in each section 5 to the inner diameter, lying within 1.5-3, and observing the ratio of the diameter of the pipe 6 to the width of the channel 10, lying within 2- 10, increases the intensity of heat transfer in the heat exchanger compared to the prototype.

Возможная постановка обтекателя 12 во входном патрубке 2 способствует отклонению потока первой теплообменной среды к началу прохода ее по радиальным каналам 10, также увеличивая интенсивность теплообмена. A possible setting of the fairing 12 in the inlet pipe 2 contributes to the deviation of the flow of the first heat transfer medium to the beginning of its passage through the radial channels 10, also increasing the intensity of heat transfer.

Claims

1. A spiral heat exchanger comprising a housing with inlet and outlet nozzles for the passage of the first heat transfer medium and with its flow guides, as well as with parallel to each other sections of spiral heat transfer tubes placed with gaps inside it, which in each section are made with tightly adjacent to each other turns, and the ends of each pipe are connected to the input and output headers of the second heat transfer medium, one of which is located with a gap in the inner Central channel formed by central heat exchange tubes, and the other outside the spirals of the heat exchange pipes, while the flow guides of the first heat transfer medium are made by sections of spiral heat transfer pipes of the second heat transfer medium, forming channels for passage through them to the outlet pipe of the first heat transfer medium, characterized in that in the channels for passage to the exit the nozzle of the first heat transfer medium contains radial guide ribs, while the ratio of the outer diameter of the spirals of the heat exchange tubes in each section to the inner diameter of the component t 1.5-3, and the ratio of the diameter of the heat transfer pipe to the width of the channel for the passage of the first heat transfer medium is 2-10.

2. The heat exchanger according to claim 1, characterized in that a conical fairing for the flow of the first heat exchange medium is installed in the inlet pipe.