RU2365844C1

RU2365844C1 - Heat-exchange apparatus

Info

Publication number: RU2365844C1
Application number: RU2008118809/06A
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 between air and water (or other liquid) excluding direct contact of these mediums and at its high volumes. Heat-exchange apparatus contains casing with branches of inlet and outlet of water and air, separator, 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 inside top parts of exhaust tubes of heat exchanging elements there are located wavy plates, fixed by butts top inner walls of exhaust tubes, and by opposite butts are fixed to each other lengthwise longitudinal axis of exhaust tubes; around outer surfaces of exhaust tubes in the same top part there are fixed drums, divides by inner cylindrical partitions for two parts, herewith partitions are fixed to covers of tanks, but not reaching the bottom of tanks, 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, branch of water outlet 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.

1 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, закрепленным 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 air outlet 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 from the apparatus, and the water inlet port to the apparatus is also mounted in the air outlet port 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 such a 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 без их непосредственного контакта, обеспечивающего при этом более высокую, чем в аналогах, эффективность теплообмена.The objective of the invention is to provide a heat exchanger suitable for exchanging heat between a large volume of heat exchanging media without direct contact, while providing higher heat exchange efficiency than in analogues.

Поставленная задача решается за счет того, что в предлагаемом теплообменнике, содержащем корпус с патрубками ввода и вывода воды и воздуха, сепаратор, переливное устройство, несколько теплообменных элементов, размещенных над дном корпуса, при этом каждый из теплообменных элементов 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 теплообменных элементов размещены теплообменники, согласно изобретению внутри верхней части каждой из выхлопных труб радиально установлены волнистые пластины, прикрепленные торцами к внутренним стенкам выхлопных труб, а противоположными торцами скрепленные между собой вдоль осей выхлопных труб, вокруг внешних поверхностей выхлопных труб в той же верхней части закреплены цилиндрические емкости, разделенные внутренними цилиндрическими перегородками на две части, причем перегородки прикреплены к крышкам емкостей, но не доходят до дна емкостей, а патрубки ввода воды в емкости присоединены к патрубкам ввода воды в аппарат, а патрубки вывода воды из емкостей - к патрубкам входа воды в теплообменники, патрубки выхода воды из теплообменников присоединены к выводу охлаждаемой воды из аппарата.The problem is solved due to the fact that in the proposed heat exchanger 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 of the heat exchange elements is equipped with air swirls with blades fixed on the 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 the apparatus, and heat exchangers are placed in the lower parts of the exhaust pipes of the heat exchanger elements, according to the invention, wavy plates are radially mounted inside the upper part of each of the exhaust pipes, attached by ends to the inner walls of the exhaust pipes, and fastened together by opposite ends along axes of the exhaust pipes, around the outer surfaces of the exhaust pipes in the same upper part are fixed cylindrical containers separated by internal cylindrical pipes partitions into two parts, and the partitions are attached to the lids of the containers, but do not reach the bottom of the containers, and the water inlet pipes to the tanks are connected to the water inlet pipes to the apparatus, and the water outlet pipes from the tanks to the water inlet pipes to heat exchangers, water outlet pipes from heat exchangers connected to the outlet of the cooled water from the apparatus.

Такое решение поставленной задачи обеспечивает технический результат, заключающийся в создании достаточно простой конструкции теплообменного аппарата, позволяющего значительно выше по интенсивности теплообмена, чем у аналогов, осуществлять охлаждение воды (либо иной жидкости) в больших объемах без непосредственного контакта сред (воды и воздуха) за счет организации дополнительной ступени охлаждения воды (жидкости) в емкостях, расположенных в верхних частях выхлопных труб.This solution to the problem provides a technical result, which consists in creating a fairly simple design of a heat exchanger, which allows significantly higher heat transfer rates than analogues to cool water (or another liquid) in large volumes without direct contact of media (water and air) due to the organization of an additional stage of cooling water (liquid) in tanks located in the upper parts of the exhaust pipes.

Анализ аналогов показал, что предлагаемое техническое решение является новым. Новизна предлагаемого решения заключается в организации дополнительной ступени теплообмена в емкостях, расположенных вокруг верхних частей выхлопных труб, и расположения внутри этих же верхних частей изогнутых пластин, прикрепленных торцами к внутренним поверхностям выхлопных труб, а противоположными концами скрепленных между собой по осям выхлопных труб, таким образом, образуется дополнительный узел (ступень) теплообмена, после которой охлаждаемая вода (жидкость) поступает на теплообменник, размещенный в нижней части выхлопных труб (вторая ступень теплообмена).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 in tanks located around the upper parts of the exhaust pipes, and the location inside the same upper parts of curved plates attached by the ends to the inner surfaces of the exhaust pipes, and the opposite ends fastened together along the axes of the exhaust pipes, thus , an additional heat exchange unit (step) is formed, after which the cooled water (liquid) enters the heat exchanger located in the lower part of the exhaust pipes (Second heat exchange step).

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 цилиндрической емкости по Б-Б.Figure 1 shows the proposed heat exchanger, figure 2 is a section of a heat exchange element along A-A, figure 3 is a section of a cylindrical tank according to BB.

Теплообменный аппарат состоит из корпуса 1, патрубков ввода 2 и вывода 3 воздуха, патрубков ввода 4 и вывода 5 охлаждаемой 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 концы которых 15 присоединены к патрубку вывода 3 воздуха через его нижнюю стенку 16. Патрубок 17 предназначен для подачи воды в аппарат из водопровода. В нижних частях выхлопных труб 14 размещены теплообменники 18, оснащенные входами 19 и выходами 20 охлаждаемой воды. Патрубок 21 служит для слива воды из аппарата. Вокруг верхних частей выхлопных труб 14 закреплены цилиндрические емкости 22, разделенные цилиндрическими перегородками 23, прикрепленными к крышкам 24 емкостей 23, но не доходящими до дна 25 емкостей, а внутри верхней части выхлопных труб 14 радиально размещены волнистые пластины 26, прикрепленные торцами к внутренним стенкам 27 выхлопных труб 14, а противоположными торцами скрепленные между собой вдоль продольных осей 28 выхлопных труб 14. Патрубки ввода 29 воды в емкости присоединены к вводу 5 воды в аппарат, а патрубки вывода 30 воды из емкостей присоединены к патрубкам входа 19 воды в теплообменники 18, а патрубки выхода 20 охлажденной воды из теплообменников 18 присоединены к выводам 4 воды из аппарата.The heat exchanger consists of a housing 1, inlet 2 and air outlet 3, inlet 4 and outlet 5 cooled water, separator 6, overflow device 7, heat exchange elements 8 installed above the bottom 9 of the housing 1, on supports 10. The heat exchange elements 8 are provided air curlers 11, containing blades 12 mounted on the annular plates 13, exhaust pipes 14, the upper ends of which 15 are connected to the pipe outlet 3 of the air through its lower wall 16. The pipe 17 is designed to supply water to the apparatus from the water supply. In the lower parts of the exhaust pipes 14 there are heat exchangers 18 equipped with inlets 19 and 20 outlets of the cooled water. The pipe 21 serves to drain the water from the apparatus. Around the upper parts of the exhaust pipes 14, cylindrical containers 22 are fixed, separated by cylindrical partitions 23, attached to the caps 24 of the containers 23, but not reaching the bottom of the 25 containers, and inside the upper part of the exhaust pipes 14 there are radially wavy plates 26 attached by the ends to the inner walls 27 exhaust pipes 14, and with opposite ends fastened together along the longitudinal axes 28 of the exhaust pipes 14. Pipes for inputting water 29 into containers are connected to inlet 5 of water into the apparatus, and nozzles for outputting 30 water from containers at connected to the nozzles of the inlet 19 of the water into the heat exchangers 18, and the nozzles of the outlet 20 of chilled water from the heat exchangers 18 are connected to the conclusions 4 of the 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 радиально волнистые пластины 26, охлаждая пластины и стенки выхлопных труб 14, и 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 охлаждаемая вода (либо иная жидкость), которая через патрубок ввода 4 поступает в цилиндрические емкости 22 и через патрубки ввода 29 поступает в пространство между перегородками 23 и дном 25 в те части емкостей 22, которые примыкают к внешним стенкам выхлопных труб 14. Эти части емкостей 22 служат теплообменниками-охладителями, теплообмен которых увеличен за счет волнистых пластин 26, служащих оребрением такого теплообменника, при этом волнистые пластины значительно увеличивают площадь теплообмена. Далее через патрубки вывода 30 вода поступает на входы 19 теплообменников 18, в которых вода также 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. Затем охлаждаемая вода через патрубки 20 поступает в патрубок вывода 5 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, which 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 radially wavy plates 26 are placed, cooling the plates and walls of the exhaust pipes 14, and then the air enters the outlet pipe 3, where it loses speed (due to the larger cross section of the pipe 3 compared to the section of the exhaust pipes 14) and passing through the separator 6, leaving on it trapped moisture separator droplets of moisture, goes into the atmosphere. Then, cooled water (or other liquid) is turned on, which enters through cylindrical containers 22 through the inlet pipe 4 and through the inlet pipes 29 enters the space between the partitions 23 and the bottom 25 into those parts of the containers 22 that are adjacent to the outer walls of the exhaust pipes 14. These parts of the tanks 22 serve as heat exchangers-coolers, the heat exchange of which is increased due to the wavy plates 26, serving as fins for such a heat exchanger, while the wavy plates significantly increase the heat transfer area. Further, through the nozzles of terminal 30, water enters the inlets 19 of the heat exchangers 18, in which the water is also intensively cooled by a “boiling” layer washing the heat exchanger, in which, as is known (for example, from N. N. Syromyatnikov’s book “Fluid Bed Heat Transfer.” - M .: Chemistry, 1967) heat exchange is carried out more intensively. Then the cooled water through the pipe 20 enters the pipe outlet 5 of water from the apparatus.

Таким образом, в теплообменном аппарате осуществляется интенсивный теплообмен между охлаждаемой водой и воздухом в двух ступенях - в цилиндрических емкостях 22 и теплообменниках 18, при этом теплообмен происходит без непосредственного контакта сред (воды и воздуха).Thus, in the heat exchanger there is an intensive heat exchange between the water to be cooled and air in two stages - in cylindrical tanks 22 and heat exchangers 18, and heat transfer occurs without direct contact of media (water and air).

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, with 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 воздуха 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 of air and further, passing through the separator 6, where the moisture droplets carried away by the air are retained, enters 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 волнистых пластин 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 wavy plates 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 аналогом) теплообмен между воздухом и жидкостью без непосредственного контакта этих сред.The proposed heat exchanger according to the principle of action, due to a new set of essential features, allows for a more intensive two-stage (compared with the analogue) heat transfer between air and liquid without direct contact of these media.

Claims

A heat exchanger 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 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 exchanger elements heat exchangers are placed, characterized in that inside the upper part of each of the exhaust pipes there are radially wavy plates attached with ends to the inner walls of the exhaust pipes, and with opposite ends fastened together along the longitudinal axes of the exhaust pipes, around the outer surfaces of the exhaust pipes in the same upper part are fixed cylindrical containers, divided by internal cylindrical partitions into two parts, and partitions attached to the lids of the containers, but do not reach the bottom of the containers, and the water inlet pipes to the tanks are connected to the water inlets to the apparatus, and the water outlet pipes from the tanks are connected to the water inlet pipes to the heat exchanger, and the water outlet pipes from the heat exchangers are connected to the cooled outlet water from the apparatus.