RU2365843C1

RU2365843C1 - Heat-exchange apparatus

Info

Publication number: RU2365843C1
Application number: RU2008118806/06A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Евгеньевич Евдомашко (RU); Дмитрий Евгеньевич Евдомашко; Руслан Александрович Печеник (RU); Руслан Александрович Печеник; Андрей Дмитриевич Пинтюшенко (RU); Андрей Дмитриевич Пинтюшенко; Владимир Кириллович Тучков (RU); Владимир Кириллович Тучков; Лев Ефимович Герцман (RU); Лев Ефимович Герцман
Original assignee: ГОУ ВПО Военный инженерно-технический университет
Priority date: 2008-05-12
Filing date: 2008-05-12
Publication date: 2009-08-27

Abstract

FIELD: heat-and-power engineering.

SUBSTANCE: invention relates to heat-exchange apparatus, provided for implementation of interaction of air and water (or other liquid) excluding direct contact of these mediums and at high volumes. Heat-exchange apparatus contains casing with branches of inlet and outlet of water and air, separator and overflow, several heat exchanging elements located over case bottom, herewith each of heat exchanging elements is outfitted by air threaders with blades, fixed on annular plate, exhaust tube, installed on top edges of blades, herewith exhaust tubes are affixed to branch of air exhaust from apparatus, branches of inlet and outlet of cooled water from apparatus are built-in into branch of air exhaust from apparatus, and in bottom parts of exhaust tubes of heat exchanging elements there are located heat exchangers with branches of inlet and outlet of water, herewith inside top parts of exhaust tubes of heat exchanging elements co-axial to it there are located drums, divided by inner partitions lengthwise vertical axis for two parts, one of which is outfitted by branch of water inlet, and other - by branch of water outlet, herewith partitions are fixed by top butts to covers of tanks, and bottom butts are not reaching the bottom of tanks, between outer surfaces of tanks and inner surfaces of exhaust tubes there are fixed plate fins, branch of water inlet into tanks is fixed to inlets of water into apparatus, and branch of outlet of water from tanks is fixed to branch of water inlet into heat exchangers, located in the bottom part of exhaust tubes, and branch of water inlet from these heat exchangers are fixed to outlets of cooled water from apparatus.

EFFECT: providing of double-stage high-performance heat passage from air to water.

3 dwg

Description

Изобретение относится к теплообменным аппаратам, предназначенным для осуществления взаимодействия воздуха и воды (либо иной жидкости), приводящего к теплообмену между этими средами.The invention relates to heat exchangers designed for the interaction of air and water (or another liquid), leading to heat exchange between these environments.

Известен теплообменный аппарат (патент РФ №2227882, F28C 3/06, 2004 г.), содержащий корпус с патрубками вывода воды и воздуха, сепаратор и переливное устройство, а в корпусе аппарата над его дном размещены несколько теплообменных элементов, каждый из которых снабжен закручивателем воздуха с лопатками, закрепленными на кольцевой пластине, выхлопной трубой, установленной на верхних кромках лопаток, при этом выхлопные трубы теплообменных элементов присоединены к патрубку вывода воздуха из аппарата, причем верхние обрезы выхлопных труб расположены на 2-3 мм выше нижней стенки патрубка вывода воздуха из аппарата, а патрубок ввода воды в аппарат вмонтирован также в патрубок вывода воздуха из аппарата.A heat exchanger is known (RF patent No. 2227882, F28C 3/06, 2004), comprising a casing with water and air outlet pipes, a separator and an overflow device, and several heat-exchange elements are placed in the casing of the apparatus above its bottom, each of which is equipped with a curler air with blades mounted on the annular plate, an exhaust pipe mounted on the upper edges of the blades, while the exhaust pipes of the heat exchange elements are connected to the outlet pipe of the air from the apparatus, and the upper ends of the exhaust pipes are located on 2-3 mm above the bottom wall of the air outlet pipe of the apparatus, and the input water pipe is mounted in the machine in the air output nozzle of the apparatus.

Недостатком такого теплообменного аппарата является невозможность его использования для охлаждения воды (или иной жидкости), непосредственный контакт которой с воздухом невозможен по технологическим или иным условиям, например, при использовании теплообменника в качестве конденсатора хладоагента холодильной машины либо жидкости, содержащей химические вещества, контакт которых с воздухом приводит к образованию токсичных веществ.The disadvantage of this heat exchanger is the inability to use it for cooling water (or another liquid), direct contact of which with air is not possible under technological or other conditions, for example, when using a heat exchanger as a refrigerant condenser of a refrigeration machine or a liquid containing chemicals that come into contact with air leads to the formation of toxic substances.

Известен теплообменный аппарат (патент РФ №2287753, 2006 г.) - ближайший аналог, содержащий корпус с патрубками ввода и вывода воды и воздуха, сепаратор, переливное устройство, несколько теплообменных элементов, размещенных над дном корпуса, при этом каждый теплообменный элемент снабжен закручивателями воздуха с лопатками, закрепленными на кольцевой пластине, выхлопной трубой, установленной на верхних кромках лопаток, причем выхлопные трубы теплообменных элементов присоединены к патрубку вывода воздуха из аппарата, а в нижних частях выхлопных труб теплообменных элементов размещены теплообменники, патрубки входа воды которых присоединены к вводу охлаждаемой воды в аппарат, а патрубки выхода воды присоединены к выводу охлаждаемой воды из аппарата, вмонтированному в патрубок вывода воздуха из аппарата.A known heat exchanger (RF patent No. 2287753, 2006) is the closest analogue comprising a housing with water and air inlet and outlet nozzles, a separator, an overflow device, several heat exchange elements located above the bottom of the housing, each heat exchange element being equipped with air swirls with blades mounted on an annular plate, an exhaust pipe mounted on the upper edges of the blades, the exhaust pipes of the heat exchange elements attached to the outlet pipe of the air from the apparatus, and in the lower parts of the exhaust x tubes of heat exchange elements are heat exchangers, the water inlet pipes of which are connected to the inlet of the cooled water into the apparatus, and the water outlet pipes are connected to the outlet of the cooled water from the apparatus, mounted in the air inlet from the apparatus.

Недостатком такого теплообменного аппарата является то обстоятельство, что эффективность повышения теплообмена использована не полностью при больших объемах теплообменных сред.The disadvantage of such a heat exchanger is the fact that the efficiency of increasing heat transfer is not fully used for large volumes of heat transfer media.

Задачей предлагаемого изобретения является создание теплообменного аппарата, пригодного для осуществления теплообмена между большим объемом теплообменивающихся сред, обеспечивающего при этом более высокую, чем в аналогах, эффективность теплообмена.The objective of the invention is the creation of a heat exchanger suitable for heat exchange between a large volume of heat-exchanging media, while providing higher heat exchange efficiency than in analogues.

Поставленная задача достигается за счет того, что в предлагаемом теплообменном аппарате, содержащем корпус с патрубками ввода и вывода воды и воздуха, сепаратор и переливное устройство, несколько теплообменных элементов, размещенных над дном корпуса, при этом каждый теплообменный элемент снабжен закручивателями воздуха с лопатками, закрепленными на кольцевой пластине, выхлопной трубой, установленной на верхних кромках лопаток, причем выхлопные трубы присоединены к патрубку вывода воздуха из аппарата, патрубки ввода и вывода охлаждаемой воды из аппарата вмонтированы в патрубок вывода воздуха из аппарата, а в нижних частях выхлопных труб размещены теплообменники с патрубками ввода и вывода воды, внутри верхних частей выхлопных труб теплообменных элементов соосно с ними размещены цилиндрические емкости, разделенные перегородками вдоль вертикальных осей на две части, одна из которых оснащена патрубком ввода воды, а другая - патрубком вывода воды, при этом перегородки прикреплены верхними торцами к крышкам емкостей, а нижние торцы не доходят до дна емкостей, между внешними поверхностями емкостей и внутренними поверхностями выхлопных труб закреплены пластинчатые ребра, патрубки входа воды в емкости присоединены к вводу охлаждаемой воды в аппарат, а патрубки вывода воды из емкостей присоединены к патрубкам ввода воды в теплообменники, размещенные в нижней части выхлопных труб, а патрубки вывода воды из этих теплообменников присоединены к выводу охлаждаемой воды из аппарата.The problem is achieved due to the fact that in the proposed heat exchanger apparatus comprising a housing with water and air inlet and outlet nozzles, a separator and an overflow device, several heat exchange elements located above the bottom of the housing, each heat exchange element is equipped with air swirls with blades fixed on an annular plate, an exhaust pipe mounted on the upper edges of the blades, and the exhaust pipes are connected to the outlet pipe of the air from the apparatus, cool the input and output pipes of water from the apparatus are mounted in the outlet pipe of the air from the apparatus, and in the lower parts of the exhaust pipes heat exchangers with water inlet and outlet pipes are placed, inside the upper parts of the exhaust pipes of the heat exchange elements cylindrical containers are placed coaxially with them, divided by partitions along the vertical axes into two parts, one of which is equipped with a water inlet pipe, and the other with a water outlet pipe, while the partitions are attached with the upper ends to the lids of the containers, and the lower ends do not reach the bottom of the tanks, between the outer lamellar ribs are fixed to the surfaces of the containers and the inner surfaces of the exhaust pipes, the water inlet pipes to the tanks are connected to the cooling water inlet to the apparatus, and the water outlet pipes from the tanks are connected to the water inlet pipes to the heat exchangers located at the bottom of the exhaust pipes, and the water outlet pipes of these heat exchangers are connected to the outlet of the cooled water from the apparatus.

Такое решение поставленной задачи обеспечивает технический результат, заключающийся в создании конструкции теплообменного аппарата, позволяющего осуществлять теплообмен с интенсивностью, большей, чем у аналогов, между большими количествами воды и воздуха в одном аппарате за счет размещения в верхних частях выхлопных труб теплообменных элементов дополнительной ступени теплообмена - цилиндрических емкостей, разделенных на две части, причем внешние поверхности этих емкостей соединены пластинчатыми ребрами с внутренней поверхностью выхлопных труб, а пластинчатые ребра значительно увеличивают поверхность теплообмена. При этом охлаждение воды (или иной жидкости) происходит без непосредственного контакта сред (воды и воздуха).This solution to the problem provides a technical result, which consists in creating a heat exchanger design that allows heat exchange with an intensity greater than that of analogs between large amounts of water and air in one apparatus by placing an additional heat transfer stage in the upper parts of the exhaust pipes - cylindrical tanks, divided into two parts, and the outer surfaces of these tanks are connected by plate ribs with an inner surface in exhaust pipes, and lamellar ribs significantly increase the heat transfer surface. In this case, the cooling of water (or other liquid) occurs without direct contact of media (water and air).

Анализ аналогов показал, что предлагаемое техническое решение является новым. Новизна предлагаемого решения заключается в организации дополнительной ступени теплообмена, выполненной в виде размещенных в верхних частях выхлопных труб цилиндрических емкостей, разделенных перегородками, не доходящими до дна емкости, на две части, одна из которых оснащена патрубком входа, а другая патрубком выхода воды; кроме того, внешние поверхности емкостей снабжены пластинчатыми ребрами, увеличивающими значительно поверхность теплообмена, контактирующие с внутренними поверхностями выхлопных труб.Analysis of analogues showed that the proposed technical solution is new. The novelty of the proposed solution lies in the organization of an additional heat transfer stage, made in the form of cylindrical containers located in the upper parts of the exhaust pipes, separated by partitions not reaching the bottom of the tank, in two parts, one of which is equipped with an inlet pipe and the other with a water outlet pipe; in addition, the outer surfaces of the tanks are equipped with plate ribs, significantly increasing the heat transfer surface in contact with the inner surfaces of the exhaust pipes.

Таким образом, заявляемое техническое решение характеризуется новой совокупностью существенных признаков, дающих положительный эффект, и обладает признаками соответствия критерию «изобретательский уровень.Thus, the claimed technical solution is characterized by a new set of essential features that give a positive effect, and has signs of compliance with the criterion of "inventive step.

На фиг.1 приведен предлагаемый теплообменный аппарат, на фиг.2 - разрез теплообменного элемента по А-А, на фиг.3 - разрез по Б-Б верхней части выхлопной трубы.Figure 1 shows the proposed heat exchanger, figure 2 is a section of a heat exchange element along aa, figure 3 is a section along bb of the upper part of the exhaust pipe.

Теплообменный аппарат состоит из корпуса 1, патрубков ввода 2 и вывода 3 воздуха, патрубков ввода 4 охлаждаемой воды и вывода 5 охлажденной воды, сепаратора 6, переливного устройства 7, теплообменных элементов 8, установленных над дном 9 корпуса 1 на подставках 10. Теплообменные элементы 8 снабжены закручивателями воздуха 11, содержащими лопатки 12, установленные на кольцевых пластинах 13, выхлопными трубами 14, верхние торцы 15 которых присоединены к патрубку вывода 3 воздуха через его нижнюю стенку 16. Патрубок 17 предназначен для подачи водопроводной воды в аппарат. В нижних частях выхлопных труб 14 размещены теплообменники 18, оснащенные патрубками ввода 19 и вывода 20 охлаждаемой воды. Патрубок 21 служит для слива воды из аппарата. В верхних частях выхлопных труб 14 соосно с ними установлены цилиндрические емкости 22, разделенные вертикальными перегородками 23, разделяющими емкости 22 на две части, причем перегородки 23 прикреплены верхними кромками к крышкам 24 цилиндрических емкостей 22, а нижние торцы перегородок 23 не доходят до дна 25 емкостей 22. Патрубки 26 и 27 служат для ввода и вывода из емкостей охлаждаемой воды соответственно. Между внешними поверхностями емкостей 22 и внутренними поверхностями выхлопных труб 14 закреплены пластинчатые ребра 28. Патрубки 26 присоединены к вводам 4 охлаждаемой воды в аппарат, патрубки 27 - к патрубкам ввода воды 19 теплообменников 18, а патрубки вывода воды 20 из теплообменников 18 присоединены к выводу 5 охлажденной воды из аппарата.The heat exchanger consists of a housing 1, inlet 2 and air outlets 3, chilled water inlet 4 and outlet 5 chilled water outlets, a separator 6, an overflow device 7, heat exchange elements 8 installed above the bottom 9 of the housing 1 on supports 10. Heat exchange elements 8 equipped with air swirls 11, containing blades 12 mounted on the annular plates 13, exhaust pipes 14, the upper ends 15 of which are connected to the outlet pipe 3 of the air through its lower wall 16. The pipe 17 is designed to supply water water into the apparatus. In the lower parts of the exhaust pipes 14 are heat exchangers 18, equipped with nozzles of the input 19 and output 20 of the cooled water. The pipe 21 serves to drain the water from the apparatus. In the upper parts of the exhaust pipes 14, cylindrical containers 22 are installed coaxially with them, separated by vertical partitions 23, dividing the containers 22 into two parts, the partitions 23 being attached by upper edges to the caps 24 of the cylindrical containers 22, and the lower ends of the partitions 23 do not reach the bottom of the 25 containers 22. Pipes 26 and 27 are used for input and output from tanks of chilled water, respectively. Lamellar ribs 28 are fixed between the outer surfaces of the containers 22 and the inner surfaces of the exhaust pipes 14. The nozzles 26 are connected to the inlets 4 of the cooled water in the apparatus, the nozzles 27 are connected to the water inlets 19 of the heat exchangers 18, and the water outlet pipes 20 from the heat exchangers 18 are connected to the terminal 5 chilled water from the apparatus.

Теплообменный аппарат может работать в трех режимах: режиме охлаждения воды, режиме испарительного охлаждения воздуха, режиме очистки воздуха от пыли.The heat exchanger can operate in three modes: water cooling mode, evaporative air cooling mode, dust cleaning air mode.

В режиме охлаждения воды аппарат работает следующим образом. Через патрубок 17 в аппарат подается вода из водопровода. Уровень воды в аппарате поддерживается с помощью переливного устройства 7. Затем в аппарат подается воздух через входной патрубок 2. Воздух поступает на закручиватель 11 и, проходя между лопатками 12, значительно увеличивает свою скорость, закручивается, при этом в закручивателе образуются струи, создающие вихрь, который турбулизирует воду, создавая своеобразный «кипящий» (псевдоожиженный) слой, который захватывает пространство в нижней части выхлопных труб, в которых размещены теплообменники 18, а далее насыщенный практически до 100% влагой воздух поступает в верхнюю часть выхлопных труб 14, где размещены пластинчатые ребра 28, закрепленные радиально на внешних поверхностях цилиндрических емкостей 22, охлаждая ребра, стенки выхлопных труб 14 и емкостей 22; далее воздух попадает в выходной патрубок 3, где теряет скорость (за счет большего поперечного сечения патрубка 3 по сравнению с сечением выхлопных труб 14) и, пройдя через сепаратор 6, оставляя на нем задержанные сепаратором капли влаги, выходит в атмосферу. Затем включается подача охлаждаемой воды (либо иной жидкости), которая через патрубок ввода 4 поступает в цилиндрические емкости 22(через патрубки 26), попадает в одну часть емкостей, отделенную перегородкой 23 от другой части емкости 22, и, пройдя под перегородкой 23, поступает в другую часть емкости 22, откуда через патрубок 27 поступает на теплообменник 18 (через его патрубок ввода 19). Проходящая через емкость 22 вода интенсивно охлаждается обдувающим емкости 22 и ребра 28 увлажненным воздухом. Таким образом, в емкости 22 осуществляется первая ступень охлаждения воды. Поступающая в теплообменник 18 вода весьма интенсивно охлаждается омывающим теплообменник «кипящим» слоем, в котором, как известно (например, из книги Н.Н.Сыромятникова «Теплообмен в кипящем слое», М.: Химия, 1967), теплообмен осуществляется более интенсивно. Таким образом, осуществляется вторая ступень охлаждения воды. Затем охлаждаемая вода через патрубки 20 поступает в патрубок вывода 5 охлажденной воды из аппарата.In water cooling mode, the apparatus operates as follows. Through pipe 17, water is supplied from the water supply to the apparatus. The water level in the apparatus is maintained by means of an overflow device 7. Then, air is supplied to the apparatus through the inlet pipe 2. Air enters the swirl 11 and, passing between the blades 12, significantly increases its speed, swirls, while jets form in the swirl, creating a vortex, which turbulizes the water, creating a kind of “boiling” (fluidized) layer that captures the space in the lower part of the exhaust pipes, in which heat exchangers 18 are placed, and then saturated with almost 100% moisture air enters the upper part of the exhaust pipes 14, where lamellar ribs 28 are located, mounted radially on the outer surfaces of the cylindrical containers 22, cooling the ribs, walls of the exhaust pipes 14 and containers 22; then the air enters the outlet pipe 3, where it loses speed (due to the larger cross section of the pipe 3 in comparison with the section of the exhaust pipes 14) and, passing through the separator 6, leaving it with moisture droplets detained by the separator, it enters the atmosphere. Then, the supply of cooled water (or other liquid) is turned on, which through the input pipe 4 enters the cylindrical tanks 22 (through the pipes 26), enters one part of the tanks, separated by a partition 23 from another part of the tank 22, and, passing under the partition 23, enters in another part of the tank 22, from where through the pipe 27 enters the heat exchanger 18 (through its input pipe 19). Water passing through the container 22 is intensively cooled by blowing the containers 22 and ribs 28 with humidified air. Thus, in the tank 22 is the first stage of water cooling. The water entering the heat exchanger 18 is very intensively cooled by a “boiling” layer washing the heat exchanger, in which, as is known (for example, from N. N. Syromyatnikov's book “Heat transfer in a fluidized bed”, M .: Chemistry, 1967), heat transfer is more intensive. Thus, the second stage of water cooling is carried out. Then, the cooled water through the pipe 20 enters the pipe outlet 5 of chilled water from the apparatus.

Таким образом, в теплообменном аппарате осуществляется более интенсивный (по сравнению с аналогами) теплообмен в двух ступенях охлаждения воды - в цилиндрических емкостях 22 и теплообменниках 18, при этом исключается непосредственный контакт взаимодействующих сред (охлаждаемой воды и воздуха).Thus, in the heat exchanger, more intensive (as compared with analogues) heat transfer is performed in two stages of water cooling - in cylindrical tanks 22 and heat exchangers 18, while direct contact of interacting media (cooled water and air) is excluded.

При работе аппарата в режиме испарительного охлаждения воздуха осуществляется процесс теплообмена между воздухом и водой при определенных соотношениях масс и температур воды и охлаждаемого воздуха.When the device is operating in evaporative air cooling, the process of heat exchange between air and water is carried out at certain ratios of masses and temperatures of water and cooled air.

При работе аппарата в режиме очистки воздуха от пыли происходит коагуляция частиц пыли, отбрасывание их на лопатки 12 закручивателя воздуха 11, откуда они смываются на дно 9 аппарата и удаляются из него через сливной патрубок 21, а очищенный от пыли воздух через выхлопные трубы 14 поступает в выходной патрубок 3 и далее, проходя через сепаратор 6, где задерживаются унесенные воздухом капли влаги, поступает к потребителю. Задержанные сепаратором 6 капли влаги и скопившийся в патрубке 3 конденсат сливаются в переливное устройство 7.When the apparatus is in dust-free air purification mode, coagulation of dust particles occurs, dropping them onto the blades 12 of the air swirl 11, from where they are washed off to the bottom 9 of the apparatus and removed from it through the drain pipe 21, and the air cleaned from dust through the exhaust pipes 14 enters the outlet pipe 3 and further, passing through the separator 6, where moisture droplets carried away by the air are retained, is supplied to the consumer. The drops of moisture detained by the separator 6 and the condensate accumulated in the pipe 3 are discharged into the overflow device 7.

Предлагаемый теплообменный аппарат является промышленно применимым, так как включает в себя действующее устройство по патенту РФ №2287753, а монтаж цилиндрических емкостей и пластинчатых ребер в верхних частях выхлопных труб теплообменников не представляет технических трудностей.The proposed heat exchanger is industrially applicable, since it includes an operating device according to the patent of the Russian Federation No. 2287753, and the installation of cylindrical tanks and plate fins in the upper parts of the exhaust pipes of the heat exchangers does not present technical difficulties.

Предлагаемый теплообменный аппарат по принципу действия, обусловленному новой совокупностью существенных признаков, позволяет осуществлять более интенсивный двухступенчатый (по сравнению с аналогами) теплообмен между воздухом и жидкостью без непосредственного контакта и при больших теплообменивающихся объемах этих сред.The proposed heat exchanger according to the principle of action, due to a new set of essential features, allows for more intensive two-stage (compared with analogues) heat transfer between air and liquid without direct contact and with large heat-exchanging volumes of these media.

Claims

A heat exchanger comprising a housing with water and air inlet and outlet nozzles, a separator and an overflow device, several heat exchange elements located above the bottom of the housing, each of the heat exchange elements having air curlers with vanes mounted on an annular plate, an exhaust pipe mounted on the upper edges of the blades, and the exhaust pipes are connected to the outlet pipe of the air from the apparatus, the inlet and outlet of the cooled water from the apparatus are mounted in the outlet pipe of the air from apparatus, and in the lower parts of the exhaust pipes of the heat exchange elements are placed heat exchangers with water inlet and outlet pipes, characterized in that inside the upper parts of the exhaust pipes of the heat exchange elements are arranged coaxially with them cylindrical containers, divided by two internal parts along the vertical axes, one of which equipped with a water inlet pipe, and the other with a water outlet pipe, while the partitions are attached with the upper ends to the lids of the tanks, and the lower ends do not reach the bottom of the tanks, between the outer lamellar ribs are fixed to the surfaces of the containers and the inner surfaces of the exhaust pipes, the water inlet pipes to the tanks are connected to the water inlets to the apparatus, and the water outlet pipes to the tanks are connected to the water inlet pipes to heat exchangers located at the bottom of the exhaust pipes, and the water outlet pipes to these heat exchangers are connected to the conclusions of the cooled water from the apparatus.