RU2365845C1

RU2365845C1 - Heat-exchange apparatus

Info

Publication number: RU2365845C1
Application number: RU2008118812/06A
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 huge volumes of heat exchanging mediums excluding its direct contact. The first stage of interaction is implemented in hollow cylinders, outfitted by screw-shaped blades and located in top parts of exhaust tubes of heat exchanging components. The second stage of water cooling is implemented in heat exchangers, located in bottom parts of exhaust tubes and washed by "boiling" layer of water fed from water conduit, which is created by means of air threaders, located in heat exchanging components over the bottom of apparatus. Input and output of cooled water from apparatus is implemented through nipple, built in air discharge nozzle, on output of which it is installed separator (drip-separator).

EFFECT: implementation of heat-exchanging between huge volume of heat-exchanging mediums excluding its direct contact, herewith it is provided high-performance double-stage 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 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 whose 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 вмонтированы в патрубок вывода воздуха из аппарата, а в нижних частях выхлопных труб теплообменных элементов размещены теплообменники, внутри верхней части каждой из выхлопных труб соосно установлены полые цилиндры, диаметры которых значительно меньше диаметров выхлопных труб, к их внешним поверхностям прикреплены винтообразные лопасти, плотно прилегающие своими торцами к внутренним поверхностям выхлопных труб, цилиндры соединены с патрубками ввода охлаждаемой воды входными патрубками, вмонтированными в крышки цилиндров, а патрубками, вмонтированными в дно, соединены с входными патрубками теплообменников, размещенных в нижних частях выхлопных труб, выходные патрубки этих теплообменников соединены трубами, закрепленными в дне и крышках цилиндров, проходящими через цилиндры и присоединенными к патрубку вывода охлажденной 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 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, hollow cylinders coaxially installed inside the upper part of each of the exhaust pipes, the diameters of which are much smaller than the diameters of the exhaust pipes, screw-like blades are attached to their outer surfaces, tightly fitting with their end faces to the inner surfaces of the exhaust pipes, the cylinders are connected to the chilled water inlet pipes by inlet pipes mounted in the cylinder covers, and the pipe E, incorporated in the bottom, connected to the inlets of heat exchangers arranged in the lower portions of the exhaust pipe, output pipes are connected to the tubes of these exchangers embodied in the bottom of the cylinder covers and passing through the cylinders and attached to the nozzle output of chilled 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) за счет организации дополнительной ступени охлаждения воды (жидкости) в полых цилиндрах, оснащенных винтообразными лопастями, установленных 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 much higher heat transfer rates than analogs to carry out cooling of water (or another liquid) by organizing an additional stage of cooling water (liquid) in hollow cylinders equipped with helical blades installed 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 полых цилиндрах, установленных в верхних частях выхлопных труб, оснащенных винтообразными лопастями, прикрепленными к поверхностям цилиндров; лопасти плотно прилегают торцами к внутренним поверхностям выхлопных труб, создавая, таким образом, винтообразный проход для охлаждающего воздуха, увеличивая тем самым площадь контакта воздуха с поверхностью цилиндра (за счет лопастей).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 hollow cylinders installed in the upper parts of the exhaust pipes equipped with helical blades attached to the surfaces of the cylinders; the blades fit snugly against the inner surfaces of the exhaust pipes, thus creating a screw-shaped passage for cooling air, thereby increasing the area of contact of air with the surface of the cylinder (due to the blades).

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 верхней части выхлопной трубы по Б-Б.Figure 1 shows the proposed heat exchanger, figure 2 is a section of a heat exchange element along aa, figure 3 is a section of the upper part of the exhaust pipe along 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, выхлопных труб 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 патрубками входа 19 и выхода 20 охлаждаемой воды. Патрубок 21 служит для слива воды из аппарата. В верхних частях выхлопных труб 14 размещены полые цилиндры 22 с винтообразными лопастями 23. Цилиндры 22 соединены с патрубками ввода 4 охлаждаемой воды входными патрубками 24, вмонтированными в крышки 25 цилиндров 22, а патрубки вывода 26 цилиндров 22, закрепленные в их дне, соединены с входными патрубками 19 теплообменников 18. Выходные патрубки 20 теплообменников 18 соединены с трубами 27, проходящими через цилиндры 22 и закрепленными в дне и крышке цилиндра и присоединены к патрубкам 5 вывода охлаждаемой 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 the stands 10. The heat exchange elements 8 are equipped with twists air 11, containing blades 12 mounted on the annular plates 13, exhaust pipes 14, the upper ends of which 15 are connected to the outlet pipe 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 are placed heat exchangers 18, equipped with nozzles of the inlet 19 and the outlet 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 there are hollow cylinders 22 with helical blades 23. The cylinders 22 are connected to the inlet pipes 4 of the cooled water by inlet pipes 24 mounted in the caps 25 of the cylinders 22, and the outlet pipes 26 of the cylinders 22 fixed in their bottom are connected to the inlet the nozzles 19 of the heat exchangers 18. The outlet nozzles 20 of the heat exchangers 18 are connected to pipes 27 passing through the cylinders 22 and fixed in the bottom and cover of the cylinder and connected to the nozzles 5 for outputting cooled 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 закручиватели 11 и, проходя между лопатками 12, значительно увеличивает свою скорость, закручивается, при этом в закручивателе 11 образуются струи, создающие вихрь, который турбулизирует воду, создавая своеобразный «кипящий» (псевдоожиженный) слой, который захватывает пространство в нижней части выхлопных труб 14, в которых размещены теплообменники 18, а далее насыщенный практически до 100% влагой воздух поступает в верхнюю часть выхлопных труб 14, где размещены полые цилиндры 22 с винтообразными лопастями 23, закрепленными на их внешних поверхностях и контактирующие плотно с внутренними поверхностями выхлопных труб 14, образуя, таким образом, винтовой проход для поступающего из нижних частей выхлопных труб воздуха. Обильно увлажненный воздух при контакте с винтообразными лопастями (значительно увеличивающих поверхность контакта с воздухом) и поверхностью цилиндров 22 интенсивно охлаждает последние и протекающую по ним воду (либо иную жидкость). Так осуществляется первая ступень охлаждения воды при подаче охлаждаемой воды в патрубок 4 (откуда она попадает через патрубки 24 в цилиндры 22). Далее вода через патрубки 26 и 19 попадает в теплообменники 18, омываемые «кипящим» слоем, в котором все процессы, в том числе и теплообмен, происходят более интенсивно, что известно, например, из книги Н.Н.Сыромятникова. Теплообмен в кипящем слое. М., Химия, 1967. Затем охлаждаемая вода через патрубки 20 и трубы 27 поступает в патрубок 5 вывода охлаждаемой воды из аппарата. Так осуществляется вторая ступень охлаждения воды. Воздух, прошедший через выхлопные трубы 14, в которых размещены теплообменники 18 и цилиндры 22 попадает в патрубок 3 вывода воздуха и, пройдя через сепаратор 6, выходит 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 using an overflow device 7. Then, air is supplied to the apparatus through the inlet pipe 2. Air enters the curlers 11 and, passing between the blades 12, significantly increases its speed, swirls, while jets are formed in the curler 11, 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 14, in which heat exchangers 18 are placed, and then saturated to almost 100% moisture second air enters the upper part of the exhaust pipes 14, where hollow cylinders 22 are arranged with screw-shaped blades 23 fixed on their external surfaces and in tight contact with the internal surfaces of the exhaust pipes 14, thereby forming a screw passage for the air coming from the lower parts of the exhaust pipes . Abundantly humidified air in contact with helical blades (significantly increasing the contact surface with air) and the surface of the cylinders 22 intensively cools the latter and the water flowing through them (or another liquid). So the first stage of water cooling is carried out when the cooled water is supplied to the pipe 4 (from where it enters through the pipes 24 into the cylinders 22). Then the water through the nozzles 26 and 19 enters the heat exchangers 18, washed by a "fluidized" layer, in which all processes, including heat transfer, occur more intensively, as is known, for example, from the book of N. N. Syromyatnikov. Fluidized bed heat transfer. M., Chemistry, 1967. Then, the cooled water through the nozzles 20 and pipes 27 enters the nozzle 5 of the output of the cooled water from the apparatus. This is the second stage of water cooling. The air passing through the exhaust pipes 14, in which the heat exchangers 18 are placed, and the cylinders 22 enters the air outlet pipe 3 and, passing through the separator 6, leaves the apparatus.

Таким образом, в теплообменном аппарате осуществляется интенсивное двухступенчатое охлаждение больших объемов воды (за счет размещения в одном аппарате нескольких теплообменных элементов) без непосредственного контакта охлаждаемой воды (либо иной жидкости) с воздухом, подаваемым в аппарат также в больших объемах.Thus, an intensive two-stage cooling of large volumes of water is carried out in a heat exchanger (due to the placement of several heat exchanger elements in one apparatus) without direct contact of the cooled water (or other liquid) with the air supplied to the apparatus also in large volumes.

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 на дне патрубка 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 moisture drops trapped by the separator 6 and the condensate accumulated at the bottom of the nozzle 3 are discharged into an overflow device 7.

Предлагаемый теплообменный аппарат является промышленно применимым, так как включает в себя действующее устройство по патенту РФ №2287753, а монтаж полых цилиндров с винтообразными лопастями 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 hollow cylinders with helical blades 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 (по сравнению с аналогом) двухступенчатый теплообмен между большими объемами воды и воздуха без непосредственного контакта этих сред.The proposed heat exchanger according to the principle of action, due to the new set of essential features, allows for more intensive (compared to the analogue) two-stage heat transfer between large volumes of water and air 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 hollow cylinders are coaxially mounted inside the upper part of each of the exhaust pipes, the diameters of which are much smaller than the diameters of the exhaust pipes, screw-like blades are attached to their outer surfaces, tightly adjacent with their ends to the internal surfaces of the exhaust pipes, the cylinders are connected to the chilled water inlet pipes with inlet pipes mounted in the cylinder covers, and the pipes mounted in the bottom o, connected to the inlet pipes of heat exchangers located in the lower parts of the exhaust pipes, the outlet pipes of these heat exchangers are connected to pipes fixed in the bottom and cylinder covers passing through the cylinders and attached to the chilled water outlet pipe from the apparatus.