RU2476800C1

RU2476800C1 - Heat exchanger

Info

Publication number: RU2476800C1
Application number: RU2011138879/06A
Authority: RU
Inventors: Алексей Павлович Левцев; Андрей Николаевич Макеев; Александр Александрович Лазарев
Original assignee: Алексей Павлович Левцев; Андрей Николаевич Макеев; Александр Александрович Лазарев
Priority date: 2011-09-22
Filing date: 2011-09-22
Publication date: 2013-02-27

Abstract

FIELD: power engineering.

SUBSTANCE: in a heat exchanger comprising a jacket with supply and drain nozzles, with a tubular system fixed inside, with supply and drain nozzles, damping-elastic elements and an impact unit, the tubular system is made of two and more coil pipes with rectilinear initial and end sections, the impact unit is made with an outlet channel, with a yoke having a rocking axis: and inlet channels with dart valves on stems in the quantity of coil pipes, each of inlet channels is connected with the outlet channel via dart valves arranged on stems in them as capable of reciprocal movement between channels of inlet and the channel of outlet of the impact unit, and joined with arms of the yoke installed with the rocking axis in the outlet channel of the impact unit, rectilinear initial sections of coil pipes of the tubular system are connected to the supply nozzle of the tubular system via damping-elastic elements, and rectilinear end sections of the coil pipes are connected to the appropriate channels of the impact unit inlet.

EFFECT: higher energy efficiency of a heat exchanger by intensification of heat transfer, reduced metal intensity and increased overhaul period of operation.

1 dwg

Description

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано в конструкциях рекуперативных теплообменных аппаратов, преимущественно в системе теплоснабжения - в качестве подогревателя сетевой и горячей воды.The invention relates to the field of power engineering and can be used in the designs of recuperative heat exchangers, mainly in a heat supply system, as a heater for network and hot water.

Известен кожухотрубный теплообменник, содержащий кожух с расположенными в нем теплообменными трубами, поперечными и продольными перегородками, трубные доски, образующие с кожухом межтрубное пространство, компенсатор, выполненный на кожухе, имеющую внутреннюю перегородку камеру подачи среды в трубы и отвода из них и камеру поворота среды, теплообменник выполнен с возможностью организации движения сред по трубному и межтрубному пространствам в 2 или 4 хода и секционирования, продольная перегородка кожуха выполнена плоской или крестообразной, а поперечные и продольная перегородки кожуха снабжены уплотнениями (см. патент RU №2232940 «Кожухотрубный теплообменник», опубл. 20.07.2004 г.).A shell-and-tube heat exchanger is known, comprising a casing with heat exchange tubes located therein, transverse and longitudinal partitions, tube boards forming an annular space with a casing, a compensator made on the casing having an inner baffle, a chamber for supplying and discharging the medium into the pipes and a medium rotation chamber, the heat exchanger is configured to organize the movement of media through the pipe and annular spaces in 2 or 4 strokes and sectioning, the longitudinal partition of the casing is made flat or crosswise aznoe, and the transverse and longitudinal partitions of the casing are equipped with seals (see patent RU No. 2232940 "Shell-and-tube heat exchanger", publ. July 20, 2004).

Недостатками данного кожухотрубного теплообменника является то, что расположенные в нем для интенсификации теплообмена поперечные и продольные перегородки при постоянной стационарной подаче теплоносителя являются не только источником повышенного гидравлического сопротивления, но и увеличивают склонность теплообменника к образованию наносов и отложений на его внутренней поверхности, относительно большая металлоемкость при обеспечении заданной эффективности.The disadvantages of this shell-and-tube heat exchanger is that the transverse and longitudinal partitions located in it for intensifying heat transfer with constant stationary supply of the coolant are not only a source of increased hydraulic resistance, but also increase the tendency of the heat exchanger to form sediments and deposits on its inner surface, relatively high metal consumption at ensuring the given efficiency.

Известен теплообменник, содержащий корпус с подводящим штуцером и отводящей трубой и размещенную в его полости трубу, выполненную в виде змеевика с прямолинейными начальным и конечным участками, подключенными к подводящему штуцеру и отводящей трубе, корпус выполнен в виде сифона, наполняемого горячей водой из сливной трубы, а змеевик изготовлен из медной трубы с высокой теплоотдачей, навитой пружиной, и соединен с одной стороны через вентиль с подводящей трубой холодной воды, а с другой через трехходовой кран с циркуляционной емкостью, приваренной к электродвигателю, к циркуляционной емкости приварена труба, соединенная через резиновое соединение с накопительной емкостью, к верхней части которой приварена медная труба, врезанная в верхнюю часть циркуляционной емкости и припаянная оловянистым припоем к действующему теплообменнику холодильника, причем змеевик через трехходовой кран может быть соединен с теплообменником газовой колонки (см. патент RU №2410607 «Теплообменник», опубл. 10.04.2009 г.).A heat exchanger is known, comprising a housing with a supply fitting and a discharge pipe and a pipe located in its cavity, made in the form of a coil with rectilinear initial and final sections connected to a supply fitting and a discharge pipe, the housing is made in the form of a siphon filled with hot water from a drain pipe, and the coil is made of a copper pipe with high heat dissipation, wound with a spring, and connected on one side through a valve with a cold water inlet pipe, and on the other through a three-way tap with a circulation tank, welded to the electric motor, a pipe is welded to the circulation tank, connected through a rubber connection to the storage tank, to the upper part of which a copper pipe is welded, cut into the upper part of the circulation tank and soldered by tin solder to the working heat exchanger of the refrigerator, and the coil through the three-way valve can be connected to a gas column heat exchanger (see patent RU No. 2410607 "Heat exchanger", published on 04/10/2009).

Недостатками данной конструкции являются низкий коэффициент теплопередачи в теплообменнике между греющей и нагреваемой средой, отсутствие эффекта самоочищения внутренних пространств циркуляции теплоносителей.The disadvantages of this design are the low heat transfer coefficient in the heat exchanger between the heating and the heated medium, the absence of the effect of self-cleaning of the internal spaces of the circulation of coolants.

Наиболее близким техническим решением по совокупности существенных признаков является теплообменник, содержащий кожух с подводящим и отводящим патрубками, с закрепленной внутри него трубчатой системой с подводящим и отводящим патрубками, трубчатая система соединена с ее подводящим и отводящим патрубками внутри кожуха через демпферно-упругие элементы и содержит ограничитель хода вынужденных колебаний, установленный на внутренней поверхности трубчатого кожуха, причем в отводящем патрубке трубчатой системы установлен ударный узел (см. патент RU №95814 «Теплообменник», опубл. 10.07.2010 г.).The closest technical solution for the combination of essential features is a heat exchanger containing a casing with inlet and outlet pipes, with a tubular system fixed inside it with inlet and outlet pipes, the tubular system is connected to its inlet and outlet pipes inside the casing through damper-elastic elements and contains a limiter the course of forced vibrations mounted on the inner surface of the tubular casing, and in the outlet pipe of the tubular system an impact assembly is installed (with m. patent RU No. 95814 "Heat exchanger", publ. 07/10/2010).

Устройство данного теплообменника характеризуется относительно малой эффективностью и низкой надежностью из-за узкого диапазона частоты работы ударного узла и сложной настройки частоты (амплитуды) вынужденных колебаний трубчатой системы, демпферно-упругие элементы теплообменника не позволяют наиболее полно использовать эффект гидравлического удара и обладают склонностью на разрыв.The device of this heat exchanger is characterized by relatively low efficiency and low reliability due to the narrow frequency range of the shock assembly and the complicated frequency (amplitude) setting of the forced vibrations of the tubular system, the damper-elastic elements of the heat exchanger do not allow the most effective use of the water hammer effect and are prone to rupture.

Технический результат заключается в повышении энергоэффективности теплообменника путем интенсификации осуществляемого в нем процесса теплопередачи между греющей и нагреваемой средой, относительном снижении металлоемкости конструкции при обеспечении заданной тепловой нагрузки и увеличении межремонтного срока эксплуатации за счет реализации эффекта самоочищения внутренних пространств циркуляции греющей и нагреваемой сред.The technical result consists in increasing the energy efficiency of the heat exchanger by intensifying the heat transfer process carried out in it between the heating and the heated medium, the relative decrease in the metal consumption of the structure while ensuring the specified heat load and increasing the overhaul life due to the effect of self-cleaning of the internal circulation spaces of the heating and heated media.

Технический результат достигается за счет того, что в теплообменнике, содержащем кожух с подводящим и отводящим патрубками, с закрепленной внутри него трубчатой системой, с подводящим и отводящим патрубками, демпферно-упругие элементы и ударный узел, трубчатая система выполнена из двух и более змеевиковых труб с прямолинейными начальными и конечными участками, ударный узел выполнен с каналом выхода, коромыслом с осью качения и каналами входа с ударными клапанами на штоках в количестве змеевиковых труб, каждый из каналов входа соединен с каналом выхода через расположенные в них ударные клапаны на штоках, которые установлены с возможностью возвратно-поступательного движения между каналами входа и каналом выхода ударного узла и связанных с плечами коромысла, расположенного с осью качения в канале выхода ударного узла, прямолинейные начальные участки змеевиковых труб трубчатой системы подключены к подводящему патрубку трубчатой системы через демпферно-упругие элементы, а прямолинейные конечные участки змеевиковых труб подключены к соответствующим каналам входа ударного узла.The technical result is achieved due to the fact that in the heat exchanger containing a casing with inlet and outlet pipes, with a tubular system fixed inside it, with inlet and outlet pipes, the damper-elastic elements and the shock assembly, the tubular system is made of two or more coil pipes with straight start and end sections, the shock node is made with an exit channel, a rocker with a rolling axis and inlet channels with shock valves on the rods in the number of coil pipes, each of the inlet channels is connected to the output channel through the shock valves located on them on the rods, which are mounted with the possibility of reciprocating movement between the input channels and the output channel of the shock assembly and connected to the arms of the rocker arm located with the rolling axis in the output channel of the shock assembly, the straight-line initial sections of the coil pipes of the tubular system connected to the inlet pipe of the tubular system through damper-elastic elements, and the straight-line end sections of the coil pipes are connected to the corresponding input channels of the shock wow site.

Схема теплообменника представлена на чертеже (фиг.1).The diagram of the heat exchanger is shown in the drawing (figure 1).

Теплообменник содержит кожух 1 с подводящим 2 и отводящим 3 патрубками, с закрепленной внутри него трубчатой системой 4, с подводящим 5 и отводящим 6 патрубками, демпферно-упругие элементы 7, ударный узел 8, трубчатая система 4 выполнена из двух (и более) змеевиковых труб 9 с прямолинейными начальными 10 и конечными 11 участками.The heat exchanger contains a casing 1 with inlet 2 and outlet 3 nozzles, with a tubular system 4 fixed inside it, with inlet 5 and outlet 6 nozzles, damper-elastic elements 7, shock assembly 8, tubular system 4 is made of two (or more) coil pipes 9 with rectilinear initial 10 and final 11 sections.

Количество, материал, а также тепловые и гидравлические характеристики змеевиковых труб 9 определяются заданной тепловой производительностью и назначением теплообменника.The quantity, material, as well as the thermal and hydraulic characteristics of the coil pipes 9 are determined by a given heat output and the purpose of the heat exchanger.

Ударный узел 8 выполнен с каналом выхода 12, коромыслом 13 с осью качения 14 и каналами входа 15 с ударными клапанами 16 на штоках 17 в количестве змеевиковых труб 9.The shock assembly 8 is made with an output channel 12, a rocker 13 with a rolling axis 14 and input channels 15 with shock valves 16 on the rods 17 in the number of coil pipes 9.

При этом каждый из каналов входа 15 соединен с каналом выхода 12 через расположенные в них ударные клапаны 16 на штоках 17, которые установлены с возможностью возвратно-поступательного движения между каналами входа 15 и каналом выхода 12 ударного узла 8 и связанных с плечами коромысла 13, расположенного с осью качения 14 в канале выхода 12 ударного узла 8.In this case, each of the input channels 15 is connected to the output channel 12 through the shock valves 16 located on them on the rods 17, which are mounted with the possibility of reciprocating movement between the input channels 15 and the output channel 12 of the shock assembly 8 and connected to the arms of the rocker arm 13 located with a rolling axis 14 in the output channel 12 of the shock assembly 8.

Прямолинейные начальные участки 10 змеевиковых труб 9 трубчатой системы 4 подключены к подводящему патрубку 5 трубчатой системы 4 через демпферно-упругие элементы 7, а прямолинейные конечные участки 11 змеевиковых труб 9 подключены к соответствующим каналам входа 15 ударного узла 8.The rectilinear initial sections 10 of the coil pipes 9 of the tubular system 4 are connected to the inlet pipe 5 of the tubular system 4 through the damper-elastic elements 7, and the rectilinear end sections 11 of the coil pipes 9 are connected to the corresponding input channels 15 of the impact unit 8.

Теплообменник работает следующим образом (см. фиг.1).The heat exchanger operates as follows (see figure 1).

Изначально осуществляют заполнение греющей и нагреваемой средой соответствующих пространств теплообменника, при этом одна из них подается непосредственно в сам кожух 1 через его подводящий 2 и отводящий 3 патрубки, а вторая через подводящий патрубок 5 трубчатой системы 4 распределяется по демпферно-упругим элементам 7 и по соответствующим начальным участкам 10 поступает в змеевиковые трубы 9 трубчатой системы 4, затем, двигаясь по конечным участкам 11 змеевиковых труб 9, поступает к соответствующим каналам входа 15 ударного узла 8 и через ударные клапаны 16 на штоках 17 достигает канала выхода 12 и отводящего патрубка 6 трубчатой системы 4.Initially, the corresponding spaces of the heat exchanger are filled with a heating and heated medium, one of them being supplied directly to the casing 1 through its inlet 2 and outlet 3 nozzles, and the second through the inlet pipe 5 of the tubular system 4 is distributed along the damper-elastic elements 7 and according to the corresponding the initial sections 10 enters the coil pipes 9 of the tubular system 4, then, moving along the final sections 11 of the coil pipes 9, enters the corresponding input channels 15 of the impact unit 8 and through the impact s valves 16 on rod 17 reaches the exit channel 12 and the discharge pipe 6 of the tubular system 4.

Далее обеспечивают циркуляцию греющей и нагреваемой сред и запуск (если он к тому времени автоматически не состоялся) процесса попеременной генерации гидравлических ударов в змеевиковых трубах 9, что может быть обеспечено поворотом коромысла 13 относительно его оси качения 14, например, путем однократного воздействия на его плечо рычагом (на схеме не указан) или же другим способом перекрытия подачи среды через один из ударных клапанов 16.Next, the heating and heated media is circulated and the process (if it had not automatically taken place by then) started alternately generating hydraulic shocks in the coil tubes 9, which can be achieved by turning the rocker arm 13 relative to its rolling axis 14, for example, by a single exposure to its shoulder a lever (not shown in the diagram) or another method of shutting off the medium through one of the shock valves 16.

При этом весь поток среды, движущейся в трубчатой системе 4, естественно поступает к открытому ударному клапану 16 и стремится увлечь его за собой воздействием собственной скорости истечения из открытого канала входа 15 в канал выхода 12 ударного узла 8 и, когда это воздействие окажется достаточным, ударный клапан 16 закроется, а в мгновенно закрытом канале входа 15 возникнет явление гидравлического удара, положительная волна распространения которого будет направлена к подводящему патрубку 6 трубчатой системы 4, но в то же время встречно к сформировавшемуся импульсу количества движения среды и ограничивающей ее змеевиковой трубы 9, которая под его воздействием содрогаясь и изменяя свое межвитковое расстояние, за счет податливости демпферно-упругого элемента 7, во внутреннем пространстве кожуха 1, заполненного второй средой, обеспечит дополнительную турбулизацию движущихся и теплообменивающихся сред в теплообменнике, а следовательно, интенсификацию теплопередачи между ними относительно общей поверхности теплопередачи.In this case, the entire flow of the medium moving in the tubular system 4 naturally enters the open shock valve 16 and seeks to entrain it with the influence of its own flow rate from the open channel of the inlet 15 to the channel of the outlet 12 of the shock assembly 8 and, when this effect is sufficient, the shock the valve 16 closes, and in the instantly closed channel of the inlet 15 there will be a water hammer phenomenon, the positive propagation wave of which will be directed to the inlet pipe 6 of the tubular system 4, but at the same time counter to the the generated pulse of the momentum of the medium and the coil pipe 9 bounding it, which, under its influence, shuddered and changing its inter-turn distance, due to the flexibility of the damper-elastic element 7, in the inner space of the casing 1 filled with the second medium, will provide additional turbulation of moving and heat-exchanging media in heat exchanger, and therefore, the intensification of heat transfer between them relative to the total heat transfer surface.

При этом теперь уже полностью закрытый один из ударных клапанов 16 воздействием своего штока 17 на одно плечо коромысла 13 с осью качения 14 обеспечит противоположным плечом полное открытие другого ударного клапана 16 со штоком 17 в соответствующем канале входа 15 ударного узла 8 и циркуляцию среды в трубчатой системе 4 при ее движении из этого открытого канала входа 15 в канал выхода 12 ударного узла 8, а как только сгенерированный к тому времени гидравлический удар достигнет подводящего патрубка 6 трубчатой системы 4, то, отразившись от открытого для движущейся среды проходного канала, образованного демпферно-упругим элементом 7, змеевиковой трубой 9 с ее начальным 10 и конечным 11 участками, открытыми каналом входа 15 и каналом выхода 12 ударного узла 8, исчезнет.In this case, now one of the shock valves 16 is completely closed by the action of its rod 17 on one shoulder of the rocker arm 13 with the axis of rolling 14 to ensure the opposite shoulder to fully open the other shock valve 16 with the stem 17 in the corresponding channel of the inlet 15 of the shock assembly 8 and the medium circulation in the tubular system 4 when it moves from this open input channel 15 to the output channel 12 of the shock assembly 8, and as soon as the hydraulic shock generated by that time reaches the inlet pipe 6 of the tubular system 4, it is reflected from the open I moving medium passageway formed damping-elastic element 7, the coil pipe 9 with its primary 10 and end portions 11, open the entrance channel 15 and outlet channel 12 impactor assembly 8 disappear.

После того как движущаяся из канала входа 15 в канал выхода 12 среда закроет ударный клапан 16, процесс интенсифицированного теплообмена повторится в описанной выше последовательности и будет попеременно осуществляться в змеевиковых трубах 9 с соответствующими начальными 10 и конечными 11 участками и демпферно-упругими элементами 7 до тех пор, пока будет присутствовать подача греющей и нагреваемой сред через теплообменник.After the medium moving from the input channel 15 to the output channel 12 closes the shock valve 16, the intensified heat transfer process will be repeated in the sequence described above and will be alternately carried out in the coil pipes 9 with the corresponding initial 10 and end 11 sections and damper-elastic elements 7 to those while there will be a supply of heating and heated media through a heat exchanger.

Элементы трубчатой системы 4 со змеевиковыми трубами 9 и соответствующими начальными 10 и конечными 11 участками, демпферно-упругими элементами 7 для сокращения габаритных размеров конструкции теплообменника конструктивно могут быть расположены соосно и радиально расположены относительно друг друга с различным радиусом и шагом навивки змеевиковых труб 9, но при этом, для обеспечения устойчивой работы ударного узла 8 и получения наибольшей эффективности работы теплообменника, должно быть реализовано равенство импульсов количества движения среды в соответствующих сочетаниях этих элементов, что достигается подбором одинакового суммарного объема их заполнения греющей (нагреваемой) средой и/или регулированием жесткости демпферно-упругих элементов 7.Elements of the tubular system 4 with coil pipes 9 and corresponding initial 10 and end sections 11, damper-elastic elements 7 can be structurally coaxially and radially arranged relative to each other to reduce the overall dimensions of the heat exchanger structure with different radius and pitch of winding of the coil pipes 9, but at the same time, to ensure the stable operation of the shock unit 8 and to obtain the greatest efficiency of the heat exchanger, the equality of the number of pulses must be realized Ia medium in appropriate combinations of these elements, which is achieved by the selection of the same total fill volume of heating (heated) medium and / or controlling damping-stiffness elastic members 7.

Такая конструкция теплообменника позволяет обратимо использовать подводящий 2 и отводящий 6 патрубки кожуха 1 с подводящим 5 и отводящим 6 патрубками трубчатой системы 4 для греющей и нагреваемой сред, каждая из которых может быть использована в качестве рабочей среды ударного узла 8 и направлена в змеевиковые трубы 9 трубчатой системы 4 или во внутреннее пространство кожуха 1 в зависимости от назначения использования теплообменника.This design of the heat exchanger allows you to reversibly use the inlet 2 and outlet 6 nozzles of the casing 1 with the inlet 5 and outlet 6 nozzles of the tubular system 4 for heating and heated media, each of which can be used as the working medium of the shock assembly 8 and is directed into the coil tubes 9 of the tubular system 4 or into the interior of the casing 1, depending on the intended use of the heat exchanger.

Данная конструкция теплообменника позволяет не менее чем на 25% интенсифицировать процесс теплообмена между греющей и нагреваемой средами за счет увеличения степени турбулизации их потоков, чем достигается относительное снижение металлоемкости конструкции при обеспечении заданной тепловой нагрузки и реализуется эффект самоочищения внутренних пространств циркуляции греющей и нагреваемой сред, что также позволяет увеличить межремонтный срок эксплуатации теплообменника от 2 до 5 раз.This design of the heat exchanger makes it possible to intensify the heat transfer process between heating and heated media by not less than 25% by increasing the degree of turbulization of their flows, which achieves a relative decrease in the metal consumption of the structure while providing a given heat load and realizes the effect of self-cleaning of the internal spaces of circulation of heating and heated media, which also allows to increase the overhaul life of the heat exchanger from 2 to 5 times.

Claims

A heat exchanger comprising a casing with inlet and outlet pipes, with a tubular system fixed inside it, with inlet and outlet pipes, damper-elastic elements, a shock assembly, characterized in that the tubular system is made of two or more coil pipes with straight-line starting and ending sections , the shock node is made with an exit channel, a rocker with a rolling axis and inlet channels with shock valves on the rods in the number of coil pipes, with each of the inlet channels connected to the exit channel through the shock valves laid on them on the rods, which are mounted with the possibility of reciprocating movement between the input channels and the output channel of the shock assembly and connected to the arms of the rocker arm located with the rolling axis in the output channel of the shock assembly, and the straight-line initial sections of the coil pipes of the tubular system are connected to the inlet pipe of the tubular system through the damper-elastic elements, and the straight-line end sections of the coil pipes are connected to the corresponding input channels of the shock assembly.