RU219314U1

RU219314U1 - air cooler

Info

Publication number: RU219314U1
Application number: RU2023109413U
Authority: RU
Inventors: Александр Борисович Голованчиков; Антон Анатольевич Шурак; Наталия Валентиновна Шибитова; Николай Анатольевич Меренцов; Наталья Андреевна Прохоренко
Filing date: 2023-04-13
Publication date: 2023-07-11

Abstract

Предполагаемое техническое решение относится к теплообменным аппаратам, предназначенным для охлаждения жидких и газовых сред потоков атмосферным воздухом. Техническим результатом предлагаемой конструкции аппарата воздушного охлаждения является увеличение эффективности работы воздушного охладителя. Поставленный технический результат достигается тем, что воздушный охладитель содержит трубу-обечайку, крышку, оснащенную патрубками отвода воздуха, спиральный канал, снабженный штуцерами подвода и отвода горячего теплоносителя, гофрированный лист, газораспределительные решетки, установленные на пружинах, диффузор и вентилятор с электродвигателем, причем штуцер для подвода горячего теплоносителя размещен на входе спирального канала сверху, спиральный канал оснащен сквозными цилиндрическими вставками, равномерно распределенными по его высоте, а пружины выполнены конической формы. 1 ил. The proposed technical solution relates to heat exchangers designed to cool liquid and gaseous media flows with atmospheric air. The technical result of the proposed design of the air cooler is to increase the efficiency of the air cooler. The stated technical result is achieved by the fact that the air cooler contains a shell pipe, a cover equipped with air outlet pipes, a spiral channel equipped with hot coolant inlet and outlet fittings, a corrugated sheet, gas distribution grilles mounted on springs, a diffuser and a fan with an electric motor, and the hot coolant supply fitting is located at the top of the spiral channel inlet, the spiral channel is equipped with through cylindrical inserts, evenly distributed limited by its height, and the springs are made of a conical shape. 1 ill.

Description

Предполагаемое техническое решение относится к теплообменным аппаратам, предназначенным для охлаждения жидких и газовых сред потоков атмосферным воздухом, и может найти применение в химической, нефтехимической, атомной, теплоэнергетической, пищевой, фармацевтической, а также в экологических процессах.The proposed technical solution relates to heat exchangers designed to cool liquid and gaseous media flows with atmospheric air, and can be used in chemical, petrochemical, nuclear, heat and power, food, pharmaceutical, as well as in environmental processes.

Известен аппарат воздушного охлаждения газа, состоящий из горизонтально расположенных теплообменных секций коллекторного типа, включающих камеры подвода и отвода охлаждаемого газа, содержащие трубные доски с отверстиями, в которые заделаны концы оребренных труб, осевого вентилятора и диффузора, в котором жестко установлены, по крайней мере, три дефлектора двух типов: S-образный дефлектор для центра теплообменника, состоящий из двух половин, формирующих два оппозитных центрально симметричных воздухозаборных канала, в каждом из которых расположены не менее чем три регулируемые поворотные лопасти, установленные за лопастями и обеспечивая вертикальный выход потока охлаждающего воздуха из поворотных лопастей внутри воздухозаборника [Пат. РФ 2617668 МПК F28D 1/00, 2017].A gas air-cooling apparatus is known, consisting of horizontally arranged collector-type heat exchange sections, including chambers for supplying and discharging cooled gas, containing tube sheets with holes in which the ends of finned tubes are embedded, an axial fan and a diffuser, in which at least three deflectors of two types are rigidly installed: boron channels, each of which contains at least three adjustable rotary blades installed behind the blades and providing a vertical exit of the cooling air flow from the rotary blades inside the air intake [US Pat. RF 2617668 IPC F28D 1/00, 2017].

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная теплоотдача от наружной поверхности труб к потоку воздуха из-за неравномерности распределения этого потока по длине труб и по рядам труб, установленных на одной высоте и ширине в коллекторах, что снижает производительность.The reasons hindering the achievement of the desired technical result include insufficient heat transfer from the outer surface of the pipes to the air flow due to the uneven distribution of this flow along the length of the pipes and along the rows of pipes installed at the same height and width in the collectors, which reduces productivity.

Известны аппараты воздушного охлаждения горизонтального типа, состоящие из оребренных труб, развальцованных в трубных досках и закрытых крышками со штуцерами для входа и выхода продукта, вентилятора, нагнетающего воздушный поток через диффузор и опорные рамы [Машины и аппараты химических производств: учебное пособие / под общей редакцией А.С. Тимонина - Калуга: Издательство Н.Ф. Бочкаревой, 2008. - 872 с.; стр. 484-485; рис. 6.1, 2.15].Horizontal-type air-cooling devices are known, consisting of finned tubes expanded in tube boards and closed with lids with fittings for the inlet and outlet of the product, a fan forcing air flow through a diffuser and support frames [Machines and apparatus for chemical production: a tutorial / under the general editorship of A.S. Timonina - Kaluga: Publishing house N.F. Bochkareva, 2008. - 872 p.; pp. 484-485; rice. 6.1, 2.15].

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная теплоотдача от наружной поверхности труб к потоку воздуха из-за неравномерности распределения этого потока по длине труб и образованию застойных зон на ребрах, что снижает производительность.The reasons hindering the achievement of the desired technical result include insufficient heat transfer from the outer surface of the pipes to the air flow due to the uneven distribution of this flow along the length of the pipes and the formation of stagnant zones on the fins, which reduces productivity.

Известен воздушный охладитель, содержащий трубу-обечайку и спиральный канал, внутри которых расположен стальной гофрированный лист, для продувания воздуха, и гофры которого параллельны оси спирали, образованной стальными полосами, штуцер для поступления и выхода из спирального канала, прикрепленный к спирали, образованной стальными полосами, и фланец со шпильками [Патент РФ №2448319, МПК F28D 9/04, опубл. 20.04.2012 г.].There is a known air cooler containing a pipe and a spiral canal, inside of which there is a steel corrugated sheet, for blowing air, and the corrugation of which is parallel to the axis of a spiral formed by steel stripes, a fitting for receipt and exit from a spiral canal attached to a spiral formed by steel stripes, and a flange with studs No. 2448319, MPK F2, MPK F2, MPK F2, MPK F2, MPK F2, MPK F2, MPK F2 F2. 8D 9/04, publ. April 20, 2012].

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная интенсивность теплоотдачи между теплоносителями в виду неравномерности движении воздуха и образования застойных зон, что снижает производительность.The reasons hindering the achievement of the desired technical result include insufficient intensity of heat transfer between heat carriers due to uneven air movement and the formation of stagnant zones, which reduces productivity.

Наиболее близким техническим решением является воздушный охладитель [Патент РФ №209164, МПК F28D 7/02, F28F 5/00, F28F 9/007, опубл. 03.02.2022 г.], содержащий трубу-обечайку, газораспределительные решетки, установленные на цилиндрических пружинах, спиральный канал, в котором расположен стальной гофрированный лист, расположенный в спиральном канале с образованием каналов для продувания воздуха, гофры которого параллельны оси спирали, штуцер для поступления и выхода из спирального канала, вентилятор с электродвигателем.The closest technical solution is an air cooler [RF Patent No. 209164, IPC F28D 7/02, F28F 5/00, F28F 9/007, publ. 02/03/2022], containing a shell pipe, gas distribution grids mounted on cylindrical springs, a spiral channel in which a corrugated steel sheet is located, located in a spiral channel with the formation of channels for blowing air, the corrugations of which are parallel to the axis of the spiral, a fitting for entering and exiting the spiral channel, a fan with an electric motor.

К недостаткам данной конструкции относятся недостаточная интенсивность теплоотдачи от охлаждаемой жидкости к газу, что в свою очередь ведет к уменьшению коэффициента теплопередачи, а, следовательно, и снижению эффективности процесса в целом.The disadvantages of this design include the insufficient intensity of heat transfer from the cooled liquid to the gas, which in turn leads to a decrease in the heat transfer coefficient, and, consequently, to a decrease in the efficiency of the process as a whole.

Техническим результатом предлагаемой конструкции аппарата воздушного охлаждения является увеличение эффективности работы воздушного охладителя. The technical result of the proposed design of the air cooler is to increase the efficiency of the air cooler.

Поставленный технический результат достигается тем, что воздушный охладитель содержит трубу-обечайку, крышку, оснащенную патрубками отвода воздуха, спиральный канал, снабженный штуцерами подвода и отвода горячего теплоносителя, гофрированный лист, газораспределительные решетки, установленные на пружинах, диффузор и вентилятор с электродвигателем, причем штуцер для подвода горячего теплоносителя размещен на входе спирального канала сверху, спиральный канал оснащен сквозными цилиндрическими вставками, равномерно распределенными по его высоте, а пружины выполнены конической формы, собственная частота колебаний которых определяется выражениемThe stated technical result is achieved by the fact that the air cooler contains a shell pipe, a cover equipped with air outlet pipes, a spiral channel equipped with hot coolant inlet and outlet fittings, a corrugated sheet, gas distribution grilles mounted on springs, a diffuser and a fan with an electric motor, and the hot coolant supply fitting is located at the top of the spiral channel inlet, the spiral channel is equipped with through cylindrical inserts, evenly distributed limited by its height, and the springs are made of a conical shape, the natural oscillation frequency of which is determined by the expression

$ν = \frac{\sqrt{\frac{k \cdot n}{M}}}{2 π}$ , (1) $v = \frac{\sqrt{\frac{k \cdot n}{M}}}{2 π}$ , (1)

где - частота колебаний конических пружин, Гц,Where - oscillation frequency of conical springs, Hz,

k - минимальная жесткость пружины, Н/м; k - minimum spring stiffness, N/m;

M - воздействующая на пружины масса без учета охлаждаемой жидкости, кг; M is the mass acting on the springs, excluding the cooled liquid, kg;

n - число конических пружин; n is the number of conical springs;

при этом максимальная жесткость пружины определяется пропорциейin this case, the maximum stiffness of the spring is determined by the proportion

$\frac{K}{k} = \frac{m + M}{M}$ , (2) $\frac{K}{k} = \frac{m + M}{M}$ , (2)

где K и k - соответственно наибольшая и наименьшая жесткость конической пружины, Н/м;where K and k are respectively the highest and lowest stiffness of the conical spring, N/m;

М и m - соответственно масса, воздействующая на пружины без учета охлаждаемой жидкости и масса охлаждаемой жидкости, кг. M and m - respectively, the mass acting on the springs without taking into account the cooled liquid and the mass of the cooled liquid, kg.

Исполнение штуцера для подвода горячего теплоносителя на входе в спиральный канал сверху позволит создать наиболее интенсивное движение потока охлаждаемой жидкости при перекрестном движении теплоносителей, что позволит увеличить эффективность протекания процесса.The execution of the fitting for supplying hot coolant at the inlet to the spiral channel from above will allow creating the most intensive movement of the cooled liquid flow during the cross movement of coolants, which will increase the efficiency of the process.

Оснащение сквозными цилиндрическими вставками, равномерно распределенными по его высоте позволит создавать вихревые потоки охлаждаемой жидкости внутри спирального канала, за счет увеличения фиктивной скорости потока в местах их установок, что в свою очередь позволит увеличить коэффициент теплоотдачи от охлаждаемой жидкости к газу, разрушать пристенный ламинарный слой в области их установки, а также увеличит площадь теплообменной поверхности, за счет прохождения воздушного потока через внутреннее пространство вставок, что в совокупности приведет к увеличению коэффициента теплопередачи и эффективности процесса в целом. Equipping with through cylindrical inserts evenly distributed along its height will allow creating vortex flows of the cooled liquid inside the spiral channel, due to an increase in the fictitious flow velocity in the places of their installation, which in turn will increase the heat transfer coefficient from the cooled liquid to the gas, destroy the near-wall laminar layer in the area of their installation, and also increase the area of the heat exchange surface, due to the passage of air flow through the internal space of the inserts, which together will lead to an increase in the heat transfer coefficient and process efficiency in in general.

Максимальная жесткость пружины определяется пропорцией (2). Тогда собственная частота колебаний под воздействием массы без учета охлаждаемой жидкости, как физического маятника, определяется согласно выражению (1), с охлаждающей жидкостьюThe maximum stiffness of the spring is determined by the proportion (2). Then the natural frequency of oscillations under the influence of the mass without taking into account the cooled liquid, as a physical pendulum, is determined according to expression (1), with the cooling liquid

. (3) . (3)

При выполнении пропорции (2)When proportion (2) is fulfilled

, ,

и при любой массе охлаждающей жидкости внутри спирального канала его собственная частота колебаний как пружинного маятника равна частоте колебаний пустого спирального канала и вынужденной частоте колебаний создаваемой вентилятором, что приводит к колебаниям спирального канала и охлаждающей жидкости в резонансном режиме, что еще в большей степени интенсифицируют теплоперенос между охлаждающей жидкостью и воздухом, а, следовательно, увеличивает эффективность протекания процесса в целом.and for any mass of coolant inside the spiral channel, its natural oscillation frequency as a spring pendulum is equal to the oscillation frequency of the empty spiral channel and the forced oscillation frequency created by the fan, which leads to oscillations of the spiral channel and the coolant in a resonant mode, which further intensifies the heat transfer between the coolant and air, and, therefore, increases the efficiency of the process as a whole.

На чертеже изображена схема предлагаемой конструкции воздушного охладителя.The drawing shows a diagram of the proposed design of the air cooler.

Воздушный охладитель состоит из трубы-обечайки 1, спирального канала 2, крышки 3, оснащенной патрубками отвода воздуха 4, гофрированного листа 5 и конических пружин 6 частота колебаний которых подчиняется выражению (1), а ее максимальная и минимальная жесткость пропорцией (2). Спиральный канал 2 снабжен на входе штуцером 7, расположенным сверху, для подвода горячего теплоносителя и на выходе штуцером 8 для отвода горячего теплоносителя. Спиральный канал 2 оснащен сквозными цилиндрическими вставками 9, равномерно распределенными по его высоте.The air cooler consists of a shell pipe 1, a spiral channel 2, a cover 3 equipped with air outlet pipes 4, a corrugated sheet 5 and conical springs 6 whose oscillation frequency is subject to expression (1), and its maximum and minimum stiffness is proportional to (2). Spiral channel 2 is equipped at the inlet with fitting 7, located on top, for supplying hot coolant and at the outlet with fitting 8 for removing hot coolant. Spiral channel 2 is equipped with through cylindrical inserts 9, evenly distributed along its height.

Труба-обечайка 1 в нижней части соединена с диффузором 10, внутри которого закреплен вентилятор 11 с электродвигателем 12. Лапы опоры 13, поддерживающие всю конструкцию установлены на диффузоре 10. Газораспределительные решетки 14 и 15 жестко фиксируют спиральный канал 2 и гофрированный лист 5.The shell pipe 1 in the lower part is connected to the diffuser 10, inside which the fan 11 with the electric motor 12 is fixed.

Воздушный охладитель работает следующим образом.The air cooler works as follows.

Внутрь трубы-обечайки 1 снизу через диффузор 10 под газораспределительную решетку 14 подается воздух вентилятором 11, который приводится во вращение электродвигателем 12 с частотой f. Горячий теплоноситель через штуцер 7 сверху подается в спиральный канал 2, пройдя который выводится через штуцер 8. При прохождении горячего теплоносителя по спиральному каналу поток начинает обтекать равномерно распределенные по его высоте, турбулизирующие вставки 9, тем самым увеличивая фиктивную скорость потока в области их установки, что позволит разрушать пристенный ламинарный слой, а восходящий газовый поток, проходящий через трубу-обечайку 1, заполняет внутреннее пространство цилиндрических вставок 9, за счет чего увеличивается площадь теплообменной поверхности, что в совокупности приводит к увеличению коэффициента теплопередачи и эффективности теплообмена в целом. Inside the pipe-shell 1 from below through the diffuser 10 under the gas distribution grate 14 air is supplied by a fan 11, which is driven by an electric motor 12 with a frequency f . The hot coolant is supplied from above through the fitting 7 into the spiral channel 2, passing through which it is discharged through the fitting 8. When the hot coolant passes through the spiral channel, the flow begins to flow around uniformly distributed along its height, turbulent inserts 9, thereby increasing the fictitious flow velocity in the area of their installation, which will destroy the near-wall laminar layer, and the ascending gas flow passing through the shell pipe 1 fills the internal space of the cylindrical in rates 9, due to which the area of the heat exchange surface increases, which together leads to an increase in the heat transfer coefficient and the efficiency of heat transfer as a whole.

Газораспределительные решетки 14 и 15, спиральный канал 2, внутри которого установлены, равномерно распределенные по высоте, турбулизирующие вставки 9, гофрированный лист 5 совершают продольные колебания в резонансном режиме с большой амплитудой, за счет того, что частота вращения f вентилятора 12 совпадает с собственной частотой колебаний пружинного маятника определяемой выражением (1), образованного коническими пружинами 6, жесткость витков которых определяется соотношением (2), и массой находящейся на ней при любых ее значениях. Отработанный воздух уходит из трубы-обечайки 1 по патрубкам 4.Gas distribution grilles 14 and 15, a spiral channel 2, inside which turbulent inserts 9 are installed, evenly distributed along the height, corrugated sheet 5 perform longitudinal oscillations in a resonant mode with a large amplitude, due to the fact that the rotation frequency f of the fan 12 coincides with the natural frequency of oscillation of the spring pendulum determined by expression (1), formed by conical springs 6, the stiffness of the coils of which is determined by relation (2), and the mass located on it at any its meanings. Exhaust air leaves the shell pipe 1 through pipes 4.

Пример. Пусть масса пустого спирального канала 2, внутри которого равномерно распределены по высоте турбулизирующие вставки 9, гофрированного листа 5 и газораспределительных решеток 13 и 14 составит М=500 кг, а частота вращения вентилятора f =45 Гц, а максимальная масса охлаждаемой жидкости внутри спирального канала 2 m=100 кг.Example. Let the mass of the empty spiral channel 2, inside which turbulent inserts 9 are evenly distributed along the height, corrugated sheet 5 and gas distribution grates 13 and 14, be M=500 kg, and the fan speed f =45 Hz, and the maximum mass of the cooled liquid inside the spiral channel 2 m=100 kg.

Предположим, что число конических пружин 6 n=20 шт., тогда по выражению (1) определим наименьшую жесткость витков конической пружины 6Suppose that the number of conical springs is 6 n=20 pcs., then by expression (1) we determine the smallest stiffness of the coils of the conical spring

Тогда максимальное значение жесткости каждой конической пружины 6, согласно пропорции (2), определяется в видеThen the maximum value of the stiffness of each conical spring 6, according to the proportion (2), is determined as

Следовательно, при частоте вращения вентилятора f=45 Гц жесткость витков каждой конической пружины для достижения резонансных колебаний при любой массе, воздействующей на них должна изменяться отTherefore, at a fan speed f=45 Hz, the stiffness of the coils of each conical spring to achieve resonant vibrations with any mass acting on them must change from

k=2⋅10⁶ H/м до K=2,4⋅10⁶ Н/м. k= 2⋅10 ⁶ N/m to K= 2.4⋅10 ⁶ N/m .

Таким образом, использование воздушного охладителя, содержащего трубу-обечайку, крышку, оснащенную патрубками отвода воздуха, спиральный канал, оснащенный сквозными цилиндрическими вставками, равномерно распределенными по его высоте, и снабженный штуцером отвода горячего теплоносителя и, размещенным на входе спирального канала сверху, штуцером подвода, гофрированный лист, газораспределительные решетки, установленные на конических пружинах, диффузор и вентилятор с электродвигателем, позволяет увеличить эффективность работы воздушного охладителя. Thus, the use of an air cooler containing a shell pipe, a cover equipped with air outlet pipes, a spiral channel equipped with through cylindrical inserts uniformly distributed along its height, and equipped with a hot coolant outlet fitting and, located at the top of the spiral channel inlet, an inlet fitting, a corrugated sheet, gas distribution grilles mounted on conical springs, a diffuser and a fan with an electric motor, makes it possible to increase the efficiency of work. air cooler.

Claims

Air cooler comprising a shell pipe, a cover equipped with air outlet pipes, a spiral channel equipped with fittings for supplying and discharging hot coolant, corrugated sheet, gas distribution grilles mounted on springs, a diffuser and a fan with an electric motor, characterized in that the fitting for supplying hot coolant is located at the inlet of the spiral channel from above, the spiral channel is equipped with through cylindrical inserts evenly distributed along the its height, and the springs are made of a conical shape, the natural oscillation frequency of which is determined by the expression

v = \frac{\sqrt{\frac{k \cdot n}{M}}}{2 π}

,

Where - oscillation frequency of conical springs, Hz,

k – minimum spring stiffness, N/m;

M is the mass acting on the springs, excluding the cooled liquid, kg;

n is the number of conical springs,

in this case, the maximum stiffness of the spring is determined by the proportion

\frac{K}{k} = \frac{m + M}{M}

,

where K and k are the maximum and minimum stiffness of the conical spring, respectively, N/m;

M and m are, respectively, the mass acting on the springs without taking into account the cooled liquid and the mass of the cooled liquid, kg.