RU219424U1 - Теплообменник с жидкостным теплоносителем - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к теплообменникам с жидкостным теплоносителем, включающим в себя корпус, в котором расположены два коллектора, соединённых друг с другом пучком труб, по которым движется теплоноситель, внутри труб. Теплообменник может быть использован для охлаждения или нагрева газового потока жидкостным теплоносителем, например водой. Согласно полезной модели внутри труб в потоке теплоносителя размещены вытеснители, выполненные в виде сплошного стержня, образующие зазоры между внешней поверхностью вытеснителя и внутренней поверхностью трубы. Достигаемый технический результат - возможность значительно увеличить эффективность теплообмена со стороны теплоносителя, значительно уменьшить гидравлическое сопротивление за счёт возможности реализации двухзаходной схемы организации потока теплоносителя.

Description

Область техники, к которой относится полезная модель.

Настоящая полезная модель относится к теплообменникам с жидкостным теплоносителем, включающим в себя корпус, в котором расположены два коллектора, соединенные друг с другом пучком труб, по которым движется теплоноситель, внутри оребрённых труб. Теплообменник может быть использован для охлаждения или нагрева газового потока жидкостным теплоносителем, например водой.

Уровень техники.

В технике известны и широко применяются теплообменники «воздух-вода» различной тепловой мощности на основе оребрённых труб, а также ламелевые.

Известны из уровня техники теплообменники с жидкостным теплоносителем, включающий в себя корпус, в котором расположены два коллектора, соединенные друг с другом пучком труб, по которым движется теплоноситель, внутри оребрённых труб (патент на изобретение РФ № 2786682, опубликованном в 23.12.2022 г.).

Данное устройство является наиболее близким по технической сущности к заявленной полезной модели и взято за прототип к предлагаемой полезной модели. Недостатком данного устройства является недостаточная эффективность теплообмена со стороны теплоносителя.

Раскрытие полезной модели.

Опирающееся на это оригинальное наблюдение настоящая полезная модель, главным образом, имеет целью предложить теплообменник с жидкостным теплоносителем, позволяющий как минимум сгладить, указанный выше недостаток, а именно обеспечить возможность значительно увеличить эффективность теплообмена со стороны теплоносителя, что и является поставленной технической задачей настоящей полезной модели.

Для достижения этой цели внутри труб, в потоке теплоносителя размещены вытеснители, выполненные в виде сплошного стержня, образующие зазоры между внешней вытеснителем и внутренней поверхностью оребрённой трубы.

Благодаря таким выгодным характеристикам появляется возможность в несколько раз увеличить эффективность теплообмена со стороны теплоносителя, что, в свою очередь, позволяет значительно уменьшить габариты теплообменника, либо в несколько раз снизить расход теплоносителя, либо существенно упростить конструкцию коллекторов из-за отсутствия необходимости реализовывать многозаходность распределения теплоносителя по трубам, вследствие чего многократно уменьшить гидравлическое сопротивление тракта теплоносителя за счет реализации двухзаходной схемы организации потока теплоносителя, и, следовательно, параллельного распределения потока теплоносителя через половину имеющихся в теплообменнике труб, что позволяет существенно облегчить про-качку теплоносителя и, таким образом, предлагаемое решение приводит либо к существенному снижению материалоемкости предлагаемого теплообменника из-за упрощения конструкции коллекторов, либо к существенному снижению расхода теплоносителя в сравнении с прототипом такой же тепловой мощности без вытеснителей, выполненного по аналогичной двухзаходной схеме организации потока теплоносителя.

Вытеснители могут иметь сечение разной формы. Преимущественно, но не исключительно подразумеваются вытеснители круглого сечения. Для них существует возможный вариант исполнения полезной модели, в котором внешний диаметр вытеснителя находится в диапазоне 70-85% от внутреннего диаметра трубы. Это соответствует соотношению площадей поперечного сечения как 50-75%.

Благодаря такой выгодной характеристике появляется возможность конкретизации заявленного решения. Действительно, при снижении указанного параметра менее 70% эффект становится не так заметно выражен. А при превышении его более 85% прохождение потока теплоносителя затрудняется.

Также существует возможный вариант исполнения полезной модели, в котором пучок труб теплоносителя является пучком оребрённых труб, или пучком снабженных ламелями труб.

Благодаря такой выгодной характеристике появляется возможность дополнительно увеличить эффективность теплообмена со стороны воздуха.

Совокупность существенных признаков предлагаемой полезной модели неизвестна из уровня техники для устройств аналогичного назначения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «новизна» для полезной модели.

Краткое описание чертежей.

Другие отличительные признаки и преимущества полезной модели ясно вытекают из описания, приведенного ниже для иллюстрации и не являющегося ограничительным, со ссылками на прилагаемые рисунки, на которых

фиг. 1 изображает схематическое устройство теплообменника с жид-костным теплоносителем без вытеснителей,

фигура 2 изображает схематическое устройство теплообменника с жид-костным теплоносителем с вытеснителями, согласно полезной модели,

фигуры 3 и 4 изображают разрез коллекторов теплообменника с жид-костным теплоносителем, согласно полезной модели,

фигуры 5 и 6 изображают разрез коллекторов теплообменника с жид-костным теплоносителем, выполненного по многозаходной схеме.

На фигурах обозначено

1 – корпус теплообменника,

2 – труба оребрённая,

3 – трубная доска,

4 – коллектор вход-выход,

5 – коллектор поворотный,

6 – вытеснитель.

На фигурах показано стрелками – направление движения теплоносителя, холодный и горячий теплоноситель разным цветом (синий и красным, соответственно), а также в разрезах круглый кружок – направление движения теплоносителя к зрителю, перечеркнутый – направление движения теплоносителя от зрите-ля.

Согласно фиг. 1, 2 теплообменник с жидкостным теплоносителем, включает в себя корпус 1, в котором расположены два коллектора 4 и 5, соединенные друг с другом пучком оребрённых или снабженных ламелями труб 2, по которым движется теплоноситель внутри оребрённых труб. Внутри оребрённых труб, в потоке теплоносителя, размещены вытеснители 6, выполненные в виде сплошного стержня, образующие зазоры между внешней вытеснителем и внутренней поверхностью оребрённой трубы.

Вытеснитель в данном решении не труба, а сплошной стержень, различного поперечного сечения из любого водостойкого материала, создающий кольцевой зазор для прохода воды.

Осуществление полезной модели.

Теплообменник с жидкостным теплоносителем стандартным образом. Но за счет наличия вытеснителей, становится возможным уменьшить габариты теплообменника той же тепловой мощности за счет увеличения коэффициента теплопередачи от внутренней поверхности оребрённой трубы к воде по сравнению с круглой трубой без вытеснителей (см. фиг.1), т.к. вытеснители образуют внутри трубы щелевой зазор. Действительно, как известно из различной научной литера-туры по теплопередаче, в зазоре, который образуется между вытеснителем и внутренней поверхностью трубы, коэффициент теплопередачи выше, чем в круглой трубе в 5-6 раз даже при невысоких скоростях потока воды (при ламинарном характере движения потока, когда скорость потока практически не влияет на теплопередачу), что дает возможность не иметь турбулентный поток и высокую скорость (~ 0,5 м/с) течения теплоносителя, поэтому в конструкции теплообменника с вытеснителями можно применить двухзаходную схему организации потока теплоносителя, где поток воды проходит через половину имеющихся в теплообменнике оребрённых труб, затем разворачивается и выходит через другую половину труб (см. фиг. 2, 3, 4). Возможна также реализация прямоточного потока охлаждающей воды.

При таких схемах весь поток охлаждающей воды проходит параллельно через большое количество труб, скорость потока при этом, даже с учетом кольцевого зазора в трубах из-за наличия вытеснителей, не превышает 0,1 м/с, что примерно в 5 раз ниже, чем необходимо иметь в теплообменнике без вытеснителей, чтобы обеспечить тот же коэффициент теплопередачи.

Для того, чтобы обеспечить скорость протекания 0,5м/с и более в теплообменнике без вытеснителей необходимо применить многозаходную схему организации потока теплоносителя. Но многозаходная схема из-за последовательной коммутации оребрённых труб по воде, и, следовательно, высокой скорости протекания воды, большого пути прохода воды, а также наличия многократных поворотов, будет иметь гидравлическое сопротивление не менее чем в 25 раз выше, чем предлагаемая конструкция с вытеснителями, т.к. в теплообменнике с вытеснителями низкая скорость потока, короткий путь движения теплоносителя (длина пути равна максимум двум длинам трубы), и всего один поворот.

Такое низкое гидравлическое сопротивление позволяет существенно облегчить прокачку теплоносителя.

При этом коллекторы представляют собой простую и недорогую в производстве конструкцию (фиг. 3), в отличие от многозаходной схемы, которая требует изготовления весьма сложных по конструкции коллекторов (фиг. 4), особенно если говорить о теплообменниках большой тепловой мощности. Производство таких коллекторов представляет собой весьма сложную технологическую задачу. Кроме того, контроль на отсутствие перетечек воды внутри таких коллекторов из-за большого количества перегородок (фиг.5, 6) также представляет собой серьезную проблему.

Промышленная применимость

Теплообменник с жидкостным теплоносителем может быть осуществлен специалистом на практике и при осуществлении обеспечивает реализацию заявленного назначения. Возможность осуществления на практике следует из того, что для каждого признака, включённого в формулу полезной модели на основании описания, известен материальный эквивалент, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «промышленная применимость» для полезной модели и критерию «полнота раскрытия» для полезной модели.

Были произведены расчеты, которые показали, что теплообменник обеспечивает выполнение достигаемого технического результата – возможность значительно увеличить эффективность теплообмена со стороны теплоносителя.

Таким образом, можно утверждать, что предлагаемая конструкция теплообменника с применением вытеснителей, которые могут быть выполнены из раз-личных и недорогих, в том числе полимерных материалов, позволяет существен-но упростить и удешевить конструкцию теплообменника «воздух-вода» на основе оребрённых труб за счет более простых конструкций коллекторов и существенно снизить эксплуатационные затраты на прокачку воды за счет низкого гидравлического сопротивления.

Claims (4)

1. Теплообменник с жидкостным теплоносителем, включающий в себя корпус, в котором расположены два коллектора, соединённых друг с другом пучком труб, по которым движется теплоноситель, отличающийся тем, что внутри труб, в потоке теплоносителя размещены вытеснители, выполненные в виде сплошного стержня, образующие зазоры между внешней поверхностью вытеснителя и внутренней поверхностью трубы.

2. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что внешний диаметр вытеснителя находится в диапазоне 70-85% от внутреннего диаметра трубы.

3. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что пучок труб теплоносителя является пучком оребрённых труб.

4. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что пучок труб теплоносителя является пучком снабжённых ламелями труб.