RU2486425C1

RU2486425C1 - Heat exchange unit

Info

Publication number: RU2486425C1
Application number: RU2012102113/06A
Authority: RU
Inventors: Владимир Дмитриевич Белоусов; Валерий Адельзянович Залялов
Priority date: 2012-01-23
Filing date: 2012-01-23
Publication date: 2013-06-27

Abstract

FIELD: heating.

SUBSTANCE: heat exchange unit includes a housing made in the form of a cylinder, on end faces of which plates are fixed. Inside the housing, along its axis there arranged are pipes with gaps between themselves and inner surface of the housing. End faces of pipes and the housing are attached to plates so that tightness is provided. Partition walls are mounted between the pipes in inner cavity of the housing. On external end faces of the plates there installed are cover plates, the cavities of which are separated with a diametrical partition wall into two chambers connected to branch pipes for supply and discharge of heat exchange media. Pipes inside the housing are installed concentrically one into another with formation between them and the wall of the housing of annular cavities for flow of cooled and cooling media alternating between themselves in radial direction. On each plate there are through arc-shaped slots interconnected on one half of end surface with annular cavities for cooling media, and on the other half of the end surface with annular cavities for cooled medium. In each annular cavity there installed are partition walls in the form of spirals forming together with pipe walls the spiral channels for flow of cooled and cooling media, which connect the corresponding arc-shaped slots on opposite plates.

EFFECT: invention allows providing the most effective heat exchange of cooling and cooled media at minimum dimensions of the unit, and improving its processibility.

2 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к общему машиностроению и может быть использовано при проектировании теплообменных аппаратов в любой области машиностроения.The invention relates to general engineering and can be used in the design of heat exchangers in any field of engineering.

Теплообменные аппараты или теплообменники широко используются в машиностроении, осуществляя процессы отвода или подвода тепла между теплообменивающими средами. Процессы, происходящие при теплообмене сред, хорошо изучены, разработаны методики расчета, позволяющие определить требуемые параметры теплообменников для различных теплообменивающих сред с учетом их характеристик и требуемого теплосъема. Устройство теплообменников подробно показано в технической литературе (см., например, «Справочник по теплообменникам» в 2-х томах, г.Москва, Энергоиздат, 1987 г. ББК31.31.УДК66.045(035.5)).Heat exchangers or heat exchangers are widely used in mechanical engineering, carrying out processes of heat removal or supply between heat exchanging media. The processes that occur during the heat transfer of media are well studied, calculation methods have been developed to determine the required parameters of heat exchangers for various heat transfer media, taking into account their characteristics and the required heat removal. The design of heat exchangers is shown in detail in the technical literature (see, for example, “The Handbook of Heat Exchangers” in 2 volumes, Moscow, Energoizdat, 1987; BBK31.31. UDK66.045 (035.5)).

Недостатки известных аппаратов заключаются в следующем:The disadvantages of the known devices are as follows:

- кожухотрубные теплообменники обладают повышенным гидравлическим сопротивлением, особенно при повышенных скоростях охлаждающей среды из-за многократно повторяющихся разворотов потока на 180° у перегородок и вследствие торможения потока, встречающего на своем пути решетку из рядов трубок, расположенных поперек потока;- shell-and-tube heat exchangers have increased hydraulic resistance, especially at increased speeds of the cooling medium due to repeatedly repeated 180 ° turns of the flow at the partitions and due to the inhibition of the flow, which encounters a grid of rows of tubes located across the flow;

- теплообменники «Труба в трубе» лишены недостатка, присущего кожухотрубным, однако возможности теплосъема этих устройств не реализованы полностью, кроме того, эти устройства достаточно громоздки и занимают много места;- “Pipe-in-pipe” heat exchangers are devoid of the drawback of shell-and-tube, but the heat removal capabilities of these devices are not fully realized, in addition, these devices are quite bulky and take up a lot of space;

- спиральные теплообменники обладают высокой эффективностью, однако они нетехнологичны из-за сложности конструкции.- spiral heat exchangers are highly efficient, but they are not technologically advanced due to the complexity of the design.

Кроме того, известные конструкции являются громоздкими, у них низкая производительность, большие удельные энергозатраты, пониженные качественные характеристики обрабатываемого продукта, ограниченные эксплуатационные и технологические возможности.In addition, well-known designs are bulky, they have low productivity, large specific energy consumption, reduced quality characteristics of the processed product, limited operational and technological capabilities.

Техническим результатом изобретения является обеспечение наиболее эффективного теплообмена охлаждающей и охлаждаемой сред при минимальных габаритах аппарата, усовершенствование конструкции аппарата и повышение его технологичности.The technical result of the invention is to provide the most efficient heat transfer of the cooling and cooled media with the minimum dimensions of the apparatus, improving the design of the apparatus and increasing its manufacturability.

Технический результат изобретения достигается благодаря тому, что теплообменный аппарат содержит корпус в виде цилиндра, на торцах которого закреплены плиты, внутри корпуса вдоль его оси размещены трубы с зазорами между собой и внутренней поверхностью корпуса, торцы труб и корпуса состыкованы с плитами с обеспечением герметичности, во внутренней полости корпуса между трубами смонтированы перегородки, на внешние торцы плит установлены крышки, полости которых разделены диаметральной перегородкой на две камеры, соединенные с патрубками для подвода и отвода теплообменивающихся сред, при этом трубы внутри корпуса установлены одна в другую концентрически с образованием между ними и стенкой корпуса кольцевых полостей для протока охлаждаемой и охлаждающей сред, чередующихся между собой в радиальном направлении, на каждой плите выполнены сквозные дугообразные пазы, сообщающиеся на одной половине торцевой поверхности с кольцевыми полостями для охлаждающей среды, а на другой половине торцевой поверхности с кольцевыми полостями для охлаждаемой среды, причем в каждой кольцевой полости установлены перегородки в виде спиралей, образующих со стенками труб спиральные каналы для протока охлаждающей и охлаждаемой сред, соединяющие соответствующие дугообразные пазы на противолежащих плитах.The technical result of the invention is achieved due to the fact that the heat exchanger contains a housing in the form of a cylinder, on the ends of which plates are fixed, inside the housing along its axis pipes are placed with gaps between themselves and the inner surface of the housing, the ends of the pipes and the housing are joined with the plates to ensure tightness, in Partitions are mounted between the pipes in the internal cavity of the pipe, lids are installed on the external ends of the plates, the cavities of which are divided by a diametrical partition into two chambers connected to the pipes for supplying and discharging heat exchanging media, while the pipes inside the casing are installed concentrically one into the other with the formation of annular cavities between them and the casing wall for the flow of cooled and cooling media alternating in a radial direction, through each arc-shaped grooves are made, communicating on one half of the end surface with annular cavities for a cooling medium, and on the other half of the end surface with annular cavities for a cooled medium, in each ring Partitions in the form of spirals are installed in the cavity; they form spiral channels with the pipe walls for the flow of the cooling and cooled media, connecting the corresponding arcuate grooves on the opposite plates.

Кроме того, стенки труб могут быть выполнены с рифлениями, ориентированными поперек направления потока охлаждающей и охлаждаемой сред.In addition, the pipe walls can be made with corrugations oriented transverse to the flow direction of the cooling and cooled media.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показан общий вид теплообменного аппарата, продольный разрез; на фиг.2 показан вид А на фиг.1; на фиг.3 показан разрез Б-Б на фиг.1; на фиг.4 показан разрез В-В на фиг.1; на фиг.5 показан теплообменный аппарат в аксонометрии с частичным вырывом ¹/₄ части трубы; на фиг.6 показан вынос Г на фиг.5; на фиг.7 показан теплообменный аппарат в аксонометрии с трассировками потоков охлаждающей и охлаждаемой сред.The invention is illustrated by drawings, where figure 1 shows a General view of a heat exchanger, a longitudinal section; figure 2 shows a view of figure 1; figure 3 shows a section bB in figure 1; figure 4 shows a section bb in figure 1; 5 shows a perspective view of a heat exchanger, partially broken away ^_1/4 of the tube; in Fig.6 shows the removal of G in Fig.5; 7 shows a heat exchanger in a perspective view with traces of the flows of the cooling and cooled media.

Теплообменный аппарат содержит цилиндрический корпус в виде трубы 1, в которой коаксиально установлены трубы 2, 3, 4, 5, образующие между своими стенками чередующиеся в радиальном направлении кольцевые полости 6, 7, 8, 9. В каждой полости 6, 7, 8, 9 между трубами 1, 2, 3, 4, 5 установлены перегородки 10 в виде спиралей (фиг.1), образующие с поверхностями соседних труб 1, 2, 3, 4, 5 винтовые каналы 11 (фиг.5). Так, каналы 11 кольцевых полостей 6 и 8 предназначены для потока, например, охлаждаемой среды, а каналы 11 кольцевых полостей 7 и 9 предназначены для потока охлаждающей среды. Трубы 1, 2, 3, 4, 5 установлены одна в другой так, что их концы (торцы) лежат в одной плоскости. На каждом конце труб 1, 2, 3, 4, 5 герметично закреплена торцевая плита 12, выполненная в виде плиты, имеющая дугообразные (фигурные) сквозные пазы 13 и 14 (фиг.4, 7). На каждой торцевой плите 12 с внешней стороны герметично установлена крышка 15, выполненная, например, в форме усеченного поперечной плоскостью тора, образуя вместе с торцевой плитой 12 кольцеобразную полость, разделенную двумя перегородками 16 (или одной диаметральной перегородкой) на две камеры 17 и 18 (фиг.2). Каждая крышка 15 имеет в зоне соответствующей камеры 17, 18 патрубки 19 и 20, предназначенные для подвода и отвода охлаждаемой и охлаждающей сред, причем с одной стороны теплообменного аппарата камера 17 сообщена с патрубком 19, а с другой стороны теплообменного аппарата камера 17 сообщена с патрубком 20 крышки 15, и наоборот, с одной стороны теплообменного аппарата камера 18 сообщена с патрубком 19, а с другой стороны теплообменного аппарата камера 18 сообщена с патрубком 20 крышки 15. Камеры 17 и 18 сообщены с соответствующими кольцевыми полостями 6, 7, 8, 9 через пазы 13 и 14, причем каждая камера 18 сообщена с кольцевыми полостями 6, 8, считая от центральной оси 21, через пазы 14, а каждая камера 17 сообщена с кольцевыми полостями 7 и 9, считая от центральной оси 21, через пазы 13.The heat exchanger comprises a cylindrical body in the form of a pipe 1, in which pipes 2, 3, 4, 5 are coaxially mounted, forming annular cavities 6, 7, 8, 9 alternating in radial direction between their walls. In each cavity 6, 7, 8, 9 between the pipes 1, 2, 3, 4, 5 there are installed partitions 10 in the form of spirals (Fig. 1), which form screw channels 11 with the surfaces of the adjacent pipes 1, 2, 3, 4, 5 (Fig. 5). So, the channels 11 of the annular cavities 6 and 8 are intended for the flow of, for example, a cooled medium, and the channels 11 of the annular cavities 7 and 9 are intended for the flow of a cooling medium. Pipes 1, 2, 3, 4, 5 are installed one in the other so that their ends (ends) lie in the same plane. At each end of the pipes 1, 2, 3, 4, 5, an end plate 12 is made hermetically fixed, made in the form of a plate having arcuate (curly) through grooves 13 and 14 (Figs. 4, 7). On each end plate 12, on the outside, a cover 15 is hermetically mounted, made, for example, in the form of a torus truncated by the transverse plane, forming together with the end plate 12 an annular cavity divided by two partitions 16 (or one diametrical partition) into two chambers 17 and 18 ( figure 2). Each cover 15 has, in the area of the corresponding chamber 17, 18, nozzles 19 and 20, designed for supplying and discharging cooled and cooling media, with chamber 17 communicating with nozzle 19 on one side of the heat exchanger and chamber 17 communicating with nozzle on the other side of the heat exchanger 20 of the lid 15, and vice versa, on one side of the heat exchanger chamber 18 is in communication with the pipe 19, and on the other side of the heat exchanger chamber 18 is in communication with the pipe 20 of cover 15. Chambers 17 and 18 are in communication with the respective annular cavities 6, 7, 8, 9 what cut grooves 13 and 14, with each chamber 18 communicating with the annular cavities 6, 8, counting from the central axis 21, through the grooves 14, and each chamber 17 communicating with the annular cavities 7 and 9, counting from the central axis 21, through the grooves 13.

Стенки труб 1, 2, 3, 4, 5 выполнены с рифлениями 22, ориентированными поперек направления потока охлаждающей и охлаждаемой сред (фиг.6).The walls of the pipes 1, 2, 3, 4, 5 are made with corrugations 22, oriented across the direction of flow of the cooling and cooled media (Fig.6).

Каждая торцевая плита 12 имеет центральное отверстие 23, сообщенное с полостью внутри трубы 5 меньшего диаметра.Each end plate 12 has a Central hole 23, in communication with the cavity inside the pipe 5 of smaller diameter.

Работает устройство следующим образом.The device operates as follows.

В теплообменном аппарате предусмотрены две полости, изолированные между собой и предназначенные для охлаждающей и охлаждаемой сред. Устройство выполнено таким образом, чтобы обеспечить наиболее благоприятные условия для теплообмена сред в минимальных габаритах с минимальными потерями. Теплообменный аппарат имеет четыре патрубка 19, 20, при этом патрубок 19 одной крышки 15 и патрубок 20 другой крышки 15 предназначены для подвода и отвода одной среды, а два других патрубка 19 и 20 соответствующих крышек 15 предназначены для подвода и отвода другой среды. Предположим, что к патрубку 19 первой крышки 15 подается из магистрали охлаждаемая среда, которая попадает в камеру 17 данной крышки 15 и через пазы 13 торцевой плиты 12 попадает в кольцевые полости 7 и 9, посредством каналов 11 обтекает эти полости по винтовой спирали и через пазы 13 другой торцевой плиты 12 поступает в камеру 17 второй крышки 15, откуда через патрубок 20 сливается в магистраль. Также происходит и с охлаждающей средой: к патрубку 19 второй крышки 15 подается из магистрали охлаждающая среда, которая попадает в камеру 18 данной крышки и через пазы 14 соответствующей торцевой плиты 12 посредством каналов 11 попадает в кольцевые полости 6 и 8, обтекает их по винтовой спирали и через кольцевые сегментные пазы 14 другой торцевой плиты 12 поступает в камеру 18 первой крышки 15, откуда через патрубок 20 сливается в магистраль.The heat exchanger has two cavities, isolated from each other and designed for cooling and cooled media. The device is designed in such a way as to provide the most favorable conditions for the heat transfer of media in minimum dimensions with minimal losses. The heat exchanger has four nozzles 19, 20, while the nozzle 19 of one cover 15 and the nozzle 20 of the other cover 15 are used for supplying and discharging one medium, and the other two nozzles 19 and 20 of the corresponding covers 15 are designed for supplying and discharging another medium. Suppose that a coolant is supplied to the pipe 19 of the first cover 15, which enters the chamber 17 of this cover 15 and enters the annular cavities 7 and 9 through the grooves 13 of the end plate 12, through these channels 11 flows around these cavities in a helical spiral and through the grooves 13 of the other end plate 12 enters the chamber 17 of the second cover 15, wherefrom through the pipe 20 is discharged into the highway. It also happens with the cooling medium: cooling medium is supplied to the pipe 19 of the second cover 15, which enters the chamber 18 of this cover and through the grooves 14 of the corresponding end plate 12 through the channels 11 enters the annular cavities 6 and 8, flows around them in a spiral spiral and through the annular segment grooves 14 of the other end plate 12 enters the chamber 18 of the first cover 15, wherefrom through the pipe 20 merges into the highway.

Таким образом, охлаждаемая и охлаждающая среды, протекая по винтовым каналам 11, разделенным между собой стенками труб 1, 2, 3, 4, 5 и перегородками 10, осуществляют теплообмен.Thus, the cooled and cooling medium flowing through the screw channels 11, separated by the walls of the pipes 1, 2, 3, 4, 5 and the partitions 10, carry out heat transfer.

Преимущества предлагаемого теплообменника по сравнению с известными заключаются в следующем:The advantages of the proposed heat exchanger in comparison with the known are as follows:

1. Введение в корпус многослойного пакета «труба в трубе» с чередующимися кольцевыми полостями, для протока охлаждающей и охлаждаемых сред позволяет более эффективно использовать устройство при его минимальных габаритах.1. Introduction to the housing of the multilayer tube-in-tube package with alternating annular cavities for the flow of cooling and cooled media allows the device to be used more efficiently with its minimum dimensions.

2. Введение в кольцевые полости перегородок 10 в виде винтовых спиралей обеспечивает прохождение сред от одного торца теплообменного аппарата к другому по винтовым спиральным каналам 11, существенно увеличивая длину контакта соответствующих сред и скорость потоков, что способствует более эффективному теплообмену сред.2. The introduction into the annular cavity of the partitions 10 in the form of helical spirals ensures the passage of media from one end of the heat exchanger to the other through helical spiral channels 11, significantly increasing the contact length of the corresponding media and the flow rate, which contributes to a more efficient heat transfer of the media.

3. Устройство позволяет обеспечивать противоток охлаждающей и охлаждаемой сред.3. The device allows you to provide a counterflow of cooling and cooled media.

4. Устройство обеспечивает минимальное гидравлическое сопротивление прохождению сред благодаря тому, что весь тракт теплообменивающихся сред плавно меняет свое направление, начиная с входных патрубков, ориентированных тангенциально, позволяющих с минимальным углом уклона осуществлять переход в винтовые спиральные каналы (фиг.7).4. The device provides minimal hydraulic resistance to the passage of media due to the fact that the entire path of heat-exchanging media smoothly changes its direction, starting from inlet nozzles oriented tangentially, allowing a transition to helical channels with a minimum angle of inclination (Fig. 7).

5. Для более эффективного теплообмена между средами в устройстве предусмотрены особенности конструкции, обеспечивающие турбулизацию пограничного слоя потока, а именно: введены рифления 22 на стенках труб, ориентированных поперек направления потока сред.5. For more efficient heat transfer between the media, the device has design features that ensure turbulization of the boundary layer of the flow, namely: corrugations 22 are introduced on the walls of the pipes oriented transversely to the direction of flow of the media.

6. Устройство обладает хорошей технологичностью, так как трубы 1, 2, 3, 4, 5 представляют собой цилиндрические оболочки, лишенные каких-либо боковых отверстий или патрубков.6. The device has good manufacturability, since the pipes 1, 2, 3, 4, 5 are cylindrical shells devoid of any side holes or nozzles.

Claims

1. A heat exchanger containing a casing in the form of a cylinder, on the ends of which plates are fixed, pipes with gaps between themselves and the inner surface of the casing are placed inside the casing along its axis, the ends of the pipes and the casing are joined with the plates to ensure tightness, in the internal cavity of the casing between the pipes partitions are mounted, covers are installed on the outer ends of the plates, the cavities of which are divided by a diametrical partition into two chambers connected to pipes for supplying and discharging heat-exchanging media, differing in m, that the pipes inside the casing are installed concentrically one into the other with the formation of annular cavities between them and the casing wall for the flow of cooled and cooling media alternating in the radial direction, through each arc-shaped grooves are made, communicating on one half of the end surface with the annular cavities for the cooling medium, and on the other half of the end surface with annular cavities for the cooled medium, and in each annular cavity mounted partitions in the form of spirals forming spiral channels with the walls of the pipes for the flow of cooling and cooled media, connecting the corresponding arcuate grooves on the opposite plates.

2. The apparatus according to claim 1, characterized in that the pipe walls are made with corrugations oriented transverse to the flow direction of the cooling and cooled media.