RU2640263C1

RU2640263C1 - Heat exchanger

Info

Publication number: RU2640263C1
Application number: RU2016132453A
Authority: RU
Inventors: Владимир Евсеевич Злотин; Дмитрий Владимирович Злотин; Александр Владимирович Злотин
Original assignee: Владимир Евсеевич Злотин; Дмитрий Владимирович Злотин; Александр Владимирович Злотин
Priority date: 2016-08-05
Filing date: 2016-08-05
Publication date: 2017-12-27

Abstract

FIELD: heating system.

SUBSTANCE: heat exchanger contains at least one welded heat exchange module, made of gas elements, using thin-sheeted plates, in particular with the ribbing, and of installed between them the liquid elements, executed in the form of metal framework. The heat exchanger is made either welded or from separate modules.

EFFECT: invention improves the heat exchanger efficiency due to increase of the heat exchange intensity between elements, using the fluids direct contact with the plates external surfaces of adjacent gas elements, as well as using the labyrinth parts in the gas elements and internal partitions in the cavities of the fluid elements, the invention allows to raise the heat exchanger operation reliability through the proposed strengthened heat exchange modules elements structures.

15 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к модульным пластинчатым теплообменным устройствам газ-жидкость и может быть использовано в химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей, газовой, энергетической, металлургической и машиностроительной промышленности, в системах нагрева мазутом или углем, а также в котельных на судах для утилизации тепла дизельных двигателей.The invention relates to modular plate heat exchangers gas-liquid and can be used in the chemical, petrochemical, oil refining, gas, energy, metallurgical and engineering industries, heating systems with fuel oil or coal, as well as in boiler rooms on ships for heat recovery of diesel engines.

Известны устройства, модульные теплообменники газ-жидкость, содержащие, по меньшей мере, один сварной теплообменный модуль (ТМ), включающий установленные друг на друга и собранные в пакет газовые элементы, выполненные из двух тонколистовых параллельных друг другу металлических пластин с установленными между ними тонкими ребрами, и жидкостные элементы, подключенные к коллекторам для подачи и отвода жидкости и установленные между газовыми элементами (Н.В. Барановский и др. Пластинчатые и спиральные теплообменники. М.: Машиностроение, 1973, с. 28-31, с. 249-251).Known devices, modular gas-liquid heat exchangers, containing at least one welded heat-exchange module (TM), including gas elements mounted on one another and assembled in a package, made of two thin-sheet metal plates parallel to each other with thin ribs installed between them , and liquid elements connected to collectors for supplying and discharging liquid and installed between gas elements (N.V. Baranovsky and others. Plate and spiral heat exchangers. M.: Mashinostroenie, 1973, p. 28-31, p. 249-251).

В данных устройствах конструкция газовых элементов идентична конструкции жидкостных элементов. Ребра газовых и жидкостных элементов выполняются, например, или из тонкого гофрированного листа, или с помощью дистанционных штифтов, которые устанавливаются между двумя пластинами, после чего производится припайка гофров или обоих концов штифтов к внутренним поверхностям пластин в местах их касания с образованием параллельных каналов для прохода жидкости или газа. При этом за счет поверхностей ребер и внутренних поверхностей пластин формируется теплообменная поверхность. Подаваемые потоки газа и жидкости направляются соответственно в каналы газовых и жидкостных элементов ТМ, разбиваясь на большое число потоков газа и жидкости. Схемы движения газа и жидкости друг относительно друга в пакете ТМ осуществляются или прямотоком, или противотоком, или перекрестным током. В некоторых случаях ребра выполняются из материалов, отличных от материала пластин. При этом данные устройства изготавливаются с ребрами разной формы, в частности с вертикальными ребрами прямоугольной формы. Расстояние между двумя пластинами каждого элемента ТМ, которое по существу является высотой ребер, выполняется в зависимости от температуры, объемов и свойств подаваемых газов или жидкостей. Для изготовления пластин и ребер используются алюминий и его сплавы, сталь, титан, сплавы меди и других металлов. К достоинствам данных устройств относится простота компоновки ТМ, которая осуществляется путем установки элементов ТМ друг на друга при их сварке в пакет ТМ. К достоинствам данных модульных устройств относится также возможность взаимозаменяемости ТМ, которая позволяет удалить из теплообменника вышедший из строя ТМ или заменить его. Кроме того, возможность взаимозаменяемости ТМ используется при необходимости изменения тепловой мощности известных устройств за счет добавления или уменьшения количества ТМ.In these devices, the design of the gas elements is identical to the design of the liquid elements. The ribs of gas and liquid elements are made, for example, either from a thin corrugated sheet, or using distance pins that are installed between the two plates, after which the corrugations or both ends of the pins are soldered to the inner surfaces of the plates at their places of contact with the formation of parallel channels for passage liquid or gas. Moreover, due to the surfaces of the ribs and the inner surfaces of the plates, a heat exchange surface is formed. The supplied gas and liquid flows are directed respectively into the channels of the TM gas and liquid elements, breaking into a large number of gas and liquid flows. Schemes of the movement of gas and liquid relative to each other in the TM package are either direct-flow, or counter-current, or cross-current. In some cases, the ribs are made of materials other than the material of the plates. Moreover, these devices are made with ribs of various shapes, in particular with vertical ribs of a rectangular shape. The distance between the two plates of each TM element, which is essentially the height of the ribs, is made depending on the temperature, volumes and properties of the supplied gases or liquids. For the manufacture of plates and ribs, aluminum and its alloys, steel, titanium, alloys of copper and other metals are used. The advantages of these devices include the simplicity of the TM layout, which is carried out by installing the TM elements on each other when welding them in the TM package. The advantages of these modular devices also include the possibility of interchangeability of TM, which allows you to remove a failed TM from the heat exchanger or replace it. In addition, the possibility of interchangeability of TM is used when it is necessary to change the thermal power of known devices by adding or reducing the number of TM.

Данному устройству присуща совокупность признаков, наиболее близкая к совокупности существенных признаков предлагаемого изобретения, поэтому данное устройство принято авторами в качестве прототипа.This device is inherent in the set of features closest to the set of essential features of the invention, therefore, this device is adopted by the authors as a prototype.

Недостатком прототипа является использование одинаковых конструкций газовых и жидкостных элементов без учета различий как теплофизических свойств газов и жидкостей, так и их расхода. Указанный недостаток объясняется тем, что при использовании одинаковых конструкций элементов ТМ в прототипе не обеспечивается максимально высокая интенсивность теплообмена для обоих теплоносителей одновременно. Недостатком прототипа является его недостаточно высокая эффективность, что объясняется жесткостью пластин элементов ТМ, к которым припаяны ребра. Указанная жесткость пластин является причиной недостаточно полного контакта между наружными поверхностями пластин соседних элементов ТМ, что объясняется образованием воздушных прослоек между указанными поверхностями, которые являются причиной повышенного термического сопротивления на указанных границах теплообмена. Недостатком прототипа является наличие двух пластин между соседними элементами ТМ при их установке их друг на друга. Указанный недостаток объясняется увеличением термического сопротивления и снижением интенсивности теплообмена между соседними элементами ТМ за счет потерь тепла за счет двойной толщины пластин на указанной границе теплообмена. Недостатком прототипа является недостаточно высокая надежность данного устройства при его эксплуатации, что объясняется невысокой прочностью паяных соединений и возможностью их разрушения, например, при повышенных механических нагрузках, при знакопеременных нагрузках, а также при вибрации. К недостатку прототипа относится также конструкция жидкостных элементов ТМ, выполненная с большим количеством каналов с малой площадью сечения. Указанный недостаток может являться причиной гидравлического удара и, как следствие, причиной разгерметизации каналов элементов ТМ, например, при резком повышении давления жидкости, или при подаче напорного потока жидкости из коллектора, или при внезапной остановке движущегося потока жидкости, или при внезапной остановке насоса, или при быстром закрытии запорных устройств. Это объясняется тем, что площадь сечения каждого канала жидкостных элементов ТМ существенно меньше площади сечения трубы коллектора, подающей жидкость в каналы. Причем относительно небольшая длина жидкостных элементов ТМ и высокая скорость подачи жидкости в них может являться причиной мгновенного гидравлического удара.The disadvantage of the prototype is the use of identical designs of gas and liquid elements without taking into account the differences in the thermophysical properties of gases and liquids, as well as their flow rate. This drawback is due to the fact that when using the same designs of TM elements in the prototype, the maximum heat transfer intensity for both heat carriers is not provided at the same time. The disadvantage of the prototype is its insufficiently high efficiency, which is explained by the stiffness of the plates of the TM elements, to which the ribs are soldered. The indicated stiffness of the plates is the reason for insufficiently complete contact between the outer surfaces of the plates of adjacent TM elements, which is explained by the formation of air gaps between these surfaces, which are the cause of increased thermal resistance at the indicated heat exchange boundaries. The disadvantage of the prototype is the presence of two plates between adjacent TM elements when they are installed on each other. This drawback is due to an increase in thermal resistance and a decrease in the heat transfer intensity between adjacent TM elements due to heat loss due to the double thickness of the plates at the specified heat transfer boundary. The disadvantage of the prototype is the insufficiently high reliability of this device during its operation, which is explained by the low strength of the soldered joints and the possibility of their destruction, for example, with increased mechanical loads, with alternating loads, and also with vibration. The disadvantage of the prototype also relates to the design of liquid elements TM, made with a large number of channels with a small cross-sectional area. The indicated drawback may cause a water hammer and, as a result, cause the channels of the TM elements to be depressurized, for example, when a sharp increase in fluid pressure occurs, or when a pressure flow of fluid from a manifold is applied, or when a moving fluid flow suddenly stops, or when a pump stops suddenly, or at fast closing of locking devices. This is explained by the fact that the cross-sectional area of each channel of the TM liquid elements is substantially smaller than the cross-sectional area of the manifold pipe supplying liquid to the channels. Moreover, the relatively short length of the TM liquid elements and the high rate of fluid supply to them can cause an instant hydraulic shock.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение эффективности предлагаемого устройства за счет уменьшения термического сопротивления на границах теплообмена и повышение надежности предлагаемого устройства при его эксплуатации за счет создания более прочных конструкций газовых и жидкостных элементов ТМ.The problem to which the invention is directed is to increase the efficiency of the proposed device by reducing thermal resistance at the boundaries of heat transfer and increasing the reliability of the proposed device during its operation by creating more durable structures of gas and liquid TM elements.

Поставленная задача достигается тем, что в теплообменнике, содержащем, по меньшей мере, один сварной ТМ, включающий установленные друг на друга и собранные в пакет газовые элементы, выполненные из двух тонколистовых параллельных друг другу металлических пластин с установленными между ними тонкими ребрами, и жидкостные элементы, подключенные к коллекторам для подачи и отвода жидкости и установленные между газовыми элементами, согласно предлагаемому изобретению по меньшей мере, одна пластина газового элемента выполнена оребренной равновысокими ребрами, приваренными параллельными рядами к внутренней стороне пластины; жидкостные элементы выполнены в виде прямоугольных металлических рамок с двумя прорезями для подачи и отвода жидкости, при этом рамки жестко защемлены между наружными поверхностями пластин двух соседних с ними газовых элементов и герметично приварены к ним.The problem is achieved in that in a heat exchanger containing at least one welded TM, including gas elements mounted on each other and assembled in a package, made of two thin-sheet metal plates parallel to each other with thin ribs installed between them, and liquid elements connected to the manifolds for supplying and discharging liquid and installed between the gas elements, according to the invention, at least one plate of the gas element is made ribbed equal high ribs welded in parallel rows to the inside of the plate; the liquid elements are made in the form of rectangular metal frames with two slots for supplying and discharging liquid, while the frames are rigidly pinched between the outer surfaces of the plates of two adjacent gas elements and hermetically welded to them.

При этом в некоторых случаях, по меньшей мере, одна пластина газового элемента выполнена оребренной равновысокими ребрами, которые приварены параллельными рядами к внутренней стороне пластины с помощью высокочастотной сварки.Moreover, in some cases, at least one plate of the gas element is made by finned ribs of equal height, which are welded in parallel rows to the inside of the plate using high-frequency welding.

При этом в некоторых случаях теплообменник собран, по меньшей мере, из двух ТМ, установленных друг на друга и приваренных друг к другу.Moreover, in some cases, the heat exchanger is assembled from at least two TM mounted on each other and welded to each other.

При этом в некоторых случаях приварка теплообменных модулей друг к другу выполнена с помощью соединительных металлических полос.Moreover, in some cases, welding of the heat exchange modules to each other is performed using connecting metal strips.

При этом в некоторых случаях рамки жидкостных элементов выполнены из нержавеющей стали.Moreover, in some cases, the frames of the liquid elements are made of stainless steel.

При этом в некоторых случаях рамки жидкостных элементов выполнены из металлических прутков.Moreover, in some cases, the frames of the liquid elements are made of metal rods.

При этом в некоторых случаях рамки жидкостных элементов выполнены из металлических соединительных полос, вваренных между соседними газовыми элементами по внешнему контуру пластин.Moreover, in some cases, the frames of the liquid elements are made of metal connecting strips welded between adjacent gas elements along the outer contour of the plates.

При этом в некоторых случаях наружная поверхность, по меньшей мере, одной пластины, по меньшей мере, одного газового элемента выполнена с деталями лабиринта.Moreover, in some cases, the outer surface of at least one plate of at least one gas element is made with parts of the maze.

При этом в некоторых случаях детали лабиринта выполнены в виде металлических прутков, приваренных к наружной поверхности пластины, по меньшей мере, одного газового элемента параллельными рядами.Moreover, in some cases, the details of the maze are made in the form of metal rods welded to the outer surface of the plate of at least one gas element in parallel rows.

При этом в некоторых случаях детали лабиринта выполнены в виде металлических штырьков, приваренных к наружной поверхности пластины, по меньшей мере, одного газового элемента параллельными рядами.Moreover, in some cases, the details of the maze are made in the form of metal pins welded to the outer surface of the plate of at least one gas element in parallel rows.

При этом в некоторых случаях детали лабиринта выполнены в виде металлических штырьков, приваренных к наружной поверхности пластины, по меньшей мере, одного газового элемента в шахматном порядке.Moreover, in some cases, the details of the maze are made in the form of metal pins welded to the outer surface of the plate of at least one gas element in a checkerboard pattern.

При этом в некоторых случаях, по меньшей мере, один жидкостный элемент выполнен с внутренними перегородками, прикрепленными к внутренней поверхности рамки.Moreover, in some cases, at least one fluid element is made with internal partitions attached to the inner surface of the frame.

При этом в некоторых случаях внутренние перегородки жидкостного элемента выполнены из металлических прутков и приварены к внутренней поверхности одной стороны рамки.Moreover, in some cases, the internal partitions of the liquid element are made of metal rods and welded to the inner surface of one side of the frame.

При этом в некоторых случаях внутренние перегородки жидкостного элемента выполнены из металлических прутков и приварены к внутренней поверхности противоположных сторон рамки в шахматном порядке.Moreover, in some cases, the internal partitions of the liquid element are made of metal rods and are staggered to the inner surface of the opposite sides of the frame.

При этом в некоторых случаях внутренние перегородки жидкостного элемента выполнены, по меньшей мере, из одной металлической спирали, в виде прямой - внутренней спирали и обратной - наружной спирали, навитых с зазорами и приваренными к внутренней поверхности рамки.Moreover, in some cases, the internal partitions of the liquid element are made of at least one metal spiral, in the form of a direct - internal spiral and a reverse - external spiral, wound with gaps and welded to the inner surface of the frame.

Технический результат от использования предлагаемых конструкций газовых и жидкостных элементов ТМ состоит в повышении интенсивности теплообмена, а также повышении прочностных характеристик предлагаемого устройства.The technical result from the use of the proposed designs of gas and liquid elements TM is to increase the intensity of heat transfer, as well as increase the strength characteristics of the proposed device.

Технический результат повышения повышении интенсивности теплообмена, а также повышения прочностных характеристик предлагаемого устройства достигается использованием конструкции газовых элементов, состоящей из двух тонколистовых металлических пластин, в которой, по меньшей мере, одна пластина выполняется оребренной параллельными рядами равновысоких ребер, продольно приваренными, например, токами высокой частоты к внутренней стороне пластины (см. RU 35423 U1, 20.08.2003). Это объясняется тем, что при использовании сварки, в первую очередь высокочастотной, в предлагаемом устройстве, в отличие от пайки в прототипе, образуются механически более прочные соединения пластин с ребрами, обладающие низкой инерционностью и высокой пластичностью. При этом, как и в прототипе, ребра и пластины в некоторых случаях выполняются из разных материалов. Кроме того, при выполнении газовых элементов из двух оребренных пластин повышается прочность предлагаемой конструкции газовых элементов за счет уменьшения шага ребер. Это объясняется увеличением количества ребер, установленных между внутренними поверхностями пластинам газового элемента, которые, по существу, являются ребрами жесткости. Причем при уменьшении шага ребер увеличивается площадь теплообмена в газовом элементе и повышается интенсивность теплообмена.The technical result of increasing the heat transfer rate, as well as increasing the strength characteristics of the proposed device is achieved by using the design of gas elements, consisting of two thin-sheet metal plates, in which at least one plate is finned by parallel rows of equally high ribs, longitudinally welded, for example, by high currents frequency to the inner side of the plate (see RU 35423 U1, 08.20.2003). This is because when using welding, primarily high-frequency, in the proposed device, in contrast to the soldering in the prototype, mechanically stronger joints of plates with fins are formed, which have low inertia and high ductility. In this case, as in the prototype, the ribs and plates in some cases are made of different materials. In addition, when performing gas elements from two ribbed plates, the strength of the proposed design of gas elements is increased by reducing the pitch of the ribs. This is due to the increase in the number of ribs installed between the inner surfaces of the plates of the gas element, which are essentially stiffeners. Moreover, with a decrease in the step of the ribs, the heat transfer area in the gas element increases and the heat transfer intensity increases.

Указанный технический результат достигается использованием конструкции газовых элементов, в которой на наружную поверхность, по меньшей мере, одной пластины, по меньшей мере, одного газового элемента привариваются детали лабиринта. Форма деталей лабиринта и способ их выполнения на поверхности пластин выбирается любой, например сварка, пайка, вырезка, штамповка или другие способы, при которых достигается достаточно высокая интенсивность теплообмена в полостях жидкостных элементов. В качестве деталей лабиринта могут использоваться металлические прутки, которые образуют прямолинейные или криволинейные каналы в полости соседних с ними жидкостных элементов, или металлические штырьки, вызывающие в указанных полостях поворотные потоки жидкости. Прутки и штырьки в некоторых случаях привариваются рядами или в шахматном порядке к наружной поверхности одной или обеих пластин, по меньшей мере, одного газового элемента, соседнего с жидкостным элементом. При выполнении деталей лабиринта в виде прутков увеличивается время прохождения потока жидкости через полость жидкостных элементов, повышая интенсивность теплообмена предлагаемого устройства. При выполнении деталей лабиринта в виде штырьков повышается степень турбулизации потока жидкости в полости жидкостных элементов, также увеличивая интенсивность теплообмена в ТМ. При выполнении деталей лабиринта на наружных поверхностях двух пластин газовых элементов, между которыми зажат жидкостный элемент, повышаются прочностные характеристики предлагаемого устройства. Это объясняется тем, что при высоте указанных деталей лабиринта, которая, как правило, выполняется равной расстоянию между пластинами, детали лабиринта по существу являются ребрами жесткости.The specified technical result is achieved using the design of gas elements, in which the labyrinth details are welded to the outer surface of at least one plate of at least one gas element. The shape of the parts of the maze and the method of their execution on the surface of the plates can be selected by any method, for example, welding, soldering, cutting, stamping, or other methods in which a sufficiently high heat transfer rate is achieved in the cavities of the liquid elements. As parts of the labyrinth, metal rods can be used that form rectilinear or curved channels in the cavity of adjacent liquid elements, or metal pins that cause rotary fluid flows in these cavities. The rods and pins in some cases are welded in rows or staggered to the outer surface of one or both plates of at least one gas element adjacent to the liquid element. When performing the details of the maze in the form of rods, the transit time of the fluid flow through the cavity of the fluid elements increases, increasing the heat transfer rate of the proposed device. When performing parts of the maze in the form of pins, the degree of turbulization of the fluid flow in the cavity of the fluid elements increases, also increasing the heat transfer intensity in the TM. When performing the details of the maze on the outer surfaces of two plates of gas elements between which the liquid element is clamped, the strength characteristics of the proposed device are increased. This is due to the fact that at the height of these parts of the labyrinth, which, as a rule, is equal to the distance between the plates, the details of the labyrinth are essentially stiffeners.

Указанный технический результат повышения прочностных характеристик предлагаемого устройства достигается выполнением конструкции жидкостных элементов в виде прямоугольных рамок. Рамки выполняются или из металлических прутков, герметично приваренных к наружной поверхности пластин двух соседних газовых элементов, или из металлических соединительных полос, вваренных между двумя газовыми элементами. При выполнении прутков или полос из меди или из коррозионно-стойкой нержавеющей стали увеличивается срок работы жидкостных элементов и появляется возможность работы с химически агрессивными жидкостями. Указанный технический результат достигается также тем, что жидкостные элементы, по существу, выполняются с одним каналом для прохода жидкости. При этом верхними и нижними стенками каждого канала являются наружные поверхности пластин двух соседних газовых элементов. Площадь сечения канала одного жидкостного элемента в предлагаемой конструкции может быть сравнима с суммарной площадью сечения всех каналов одного жидкостного элемента в прототипе, чем достигается снижение вероятности гидравлического удара. Указанный технический результат повышения эффективности предлагаемого устройства при выполнении жидкостных элементов в виде рамок достигается за счет наличия прямого контакта жидкости с наружными поверхностями пластин соседних газовых элементов. При указанном прямом контакте обеспечивается более высокая интенсивность теплообмена за счет повышенной величины теплосъема от наружной поверхности пластин газовых элементов в жидкость, протекающую в полости жидкостных элементов, чем в прототипе, выполненного с двумя пластинами между газовыми и жидкостными элементами ТМ.The specified technical result of increasing the strength characteristics of the proposed device is achieved by designing the liquid elements in the form of rectangular frames. The frames are made either of metal rods hermetically welded to the outer surface of the plates of two adjacent gas elements, or of metal connecting strips welded between two gas elements. When bars or strips of copper or corrosion-resistant stainless steel are made, the life of liquid elements increases and the possibility of working with chemically aggressive liquids appears. The specified technical result is also achieved by the fact that the liquid elements are essentially made with one channel for the passage of liquid. The upper and lower walls of each channel are the outer surfaces of the plates of two adjacent gas elements. The cross-sectional area of the channel of one liquid element in the proposed design can be compared with the total cross-sectional area of all channels of one liquid element in the prototype, thereby achieving a reduction in the probability of water hammer. The specified technical result of increasing the efficiency of the proposed device when performing liquid elements in the form of frames is achieved due to the presence of direct contact of the liquid with the outer surfaces of the plates of adjacent gas elements. With the specified direct contact, a higher heat transfer rate is provided due to the increased heat removal from the outer surface of the gas element plates to the liquid flowing in the cavity of the liquid elements than in the prototype made with two plates between the gas and liquid elements of the TM.

В некоторых случаях указанный технический результат достигается при выполнении жидкостных элементов с внутренними перегородками, чем достигается повышение интенсивности теплообмена за счет увеличения площади теплообмена в полостях жидкостных элементов. Внутренние перегородки прикрепляются, в частности, ввариваются к внутренним стенкам рамки. В некоторых случаях внутренние перегородки привариваются или к одной внутренней стенке рамки или к двум противоположным внутренним стенкам рамки в шахматном порядке. При этом внутренние перегородки являются турбулизаторами потоков жидкости, позволяющими повысить интенсивность теплообмена за счет осуществления направленного перемешивания потоков жидкости при их проходе от входного отверстия в рамке до выходного отверстия. Степень турбулизации потоков жидкости в полостях жидкостных элементов, а также направление теплонапорных поворотных потоков жидкости определяется длиной и шириной указанных перегородок. Также, имея в виду то, что чем меньше расстояние между перегородками, тем больше застойных зон за перегородкой, выбирается такое взаимное расположение внутренних перегородок в полостях жидкостных элементов, при котором обеспечивается наиболее высокая интенсивность теплообмена. Кроме того, при наличии внутренних перегородок в полости жидкостного элемента образуются области сужения и области расширения потока жидкости, вызывающие пульсации потока, обеспечивающие повышение интенсивности теплообмена. При этом за счет наличия указанных перегородок при проходе потока жидкости от входного отверстия в рамке к выходному отверстию, постоянно разрушается пограничный слой жидкости у наружной поверхности пластин соседних газовых элементов, по существу, являющимися верхними и нижними стенками жидкостных элементов. При этом увеличивается интенсивность теплообмена за счет более равномерного распределения потока жидкости по указанным поверхностям. Причем чем чаще производится искусственное возмущение пограничного слоя, тем выше интенсивность теплообмена. Местоположение внутренних перегородок определяется местоположением разрезов в рамках для подачи и отвода жидкостей в полость жидкостных элементов. Указанные перегородки привариваются или к одной внутренней поверхности стенки прямоугольной рамки или к двум противоположным поверхностям, таким образом, при котором обеспечивается повышение интенсивности теплообмена за счет увеличения уровня турбулизации потока жидкости в полости жидкостных элементов. В некоторых случаях внутренние перегородки выполняются в виде спиралей из металлических, в частности нержавеющих, прутков или металлических полос. Спиральные перегородки выполняются в виде прямой и обратной спирали, навитых с зазором для прохождения жидкости по образованным двумя ветками спирали лабиринтным каналам, вызывая турбулентность потоков жидкости и более интенсивное их перемешивание, обеспечивая повышение интенсивности теплообмена в полости жидкостных элементов. Следует также отметить, что при выполнении внутренних перегородок, выполненных с высотой, равной расстоянию между наружными поверхностями пластин двух соседних газовых элементов, являющимися по существу ребрами жесткости, увеличивается прочность жидкостных элементов, повышая надежность работы предлагаемого устройства в целомIn some cases, the specified technical result is achieved by performing liquid elements with internal partitions, thereby increasing the heat transfer intensity by increasing the heat transfer area in the cavities of the liquid elements. The internal partitions are attached, in particular, welded to the inner walls of the frame. In some cases, the internal partitions are welded either to one internal wall of the frame or to two opposite internal walls of the frame in a checkerboard pattern. At the same time, the internal partitions are turbulators of fluid flows, which make it possible to increase the heat exchange rate due to the directional mixing of fluid flows as they pass from the inlet in the frame to the outlet. The degree of turbulization of fluid flows in the cavities of the fluid elements, as well as the direction of the heat-pressure rotary fluid flows, is determined by the length and width of these partitions. Also, bearing in mind that the smaller the distance between the partitions, the more stagnant zones are behind the partition, such a mutual arrangement of the internal partitions in the cavities of the liquid elements is selected, which ensures the highest heat transfer rate. In addition, in the presence of internal partitions in the cavity of the liquid element, narrowing regions and regions of expansion of the fluid flow are formed, causing pulsations of the flow, providing an increase in heat transfer intensity. Moreover, due to the presence of these partitions during the passage of the fluid flow from the inlet in the frame to the outlet, the boundary layer of fluid at the outer surface of the plates of adjacent gas elements, which are essentially the upper and lower walls of the liquid elements, is constantly destroyed. At the same time, the heat transfer rate increases due to a more uniform distribution of the fluid flow over the indicated surfaces. Moreover, the more often an artificial perturbation of the boundary layer is made, the higher the heat transfer intensity. The location of the internal partitions is determined by the location of the cuts within the framework for supplying and discharging liquids into the cavity of the liquid elements. The said partitions are welded either to one inner surface of the wall of the rectangular frame or to two opposite surfaces, in such a way as to increase the heat transfer intensity by increasing the level of turbulization of the fluid flow in the cavity of the liquid elements. In some cases, the internal partitions are made in the form of spirals made of metal, in particular stainless, rods or metal strips. Spiral partitions are made in the form of a direct and reverse spiral, wound with a gap for the passage of liquid through the labyrinth channels formed by two branches of the spiral, causing turbulence of the fluid flows and their more intensive mixing, providing an increase in the intensity of heat transfer in the cavity of the liquid elements. It should also be noted that when performing internal partitions made with a height equal to the distance between the outer surfaces of the plates of two adjacent gas elements, which are essentially stiffeners, the strength of the liquid elements increases, increasing the reliability of the proposed device as a whole

В некоторых случаях указанный технический результат повышения прочностных характеристик предлагаемого устройства достигается при сборке теплообменника из установленных друг на друга ТМ с помощью вваренных между ними, в частности, тонких металлических соединительных полос. Это объясняется большей надежностью сварных соединений ТМ в сравнении с механическими соединениями, как это имеет место в прототипе. При этом дополнительным техническим результатом является простота сборки предлагаемого устройства, обусловленная возможностью его перекомпоновки или возможностью замены вышедшего из строя ТМ путем вырезки его из теплообменника и последующей приварке работоспособного ТМ на место удаленного с помощью новых вваренных полос.In some cases, the specified technical result of increasing the strength characteristics of the proposed device is achieved when assembling the heat exchanger from the TMs mounted on top of each other using, in particular, thin metal connecting strips welded between them. This is due to the greater reliability of welded joints TM in comparison with mechanical joints, as is the case in the prototype. An additional technical result is the simplicity of the assembly of the proposed device, due to the possibility of re-arranging it or the possibility of replacing a failed TM by cutting it out of the heat exchanger and then welding a workable TM to a remote location using new welded strips.

Техническая сущность и практическая применимость заявляемого изобретения поясняется нижеследующим описанием и чертежами, где на фиг. 1 схематично показан ТМ, состоящий из трех газовых и двух жидкостных элементов, в сборке; на фиг. 2 схематично показаны две пластины, оребренная пластина и пластина без оребрения с деталями лабиринта, перед их сборкой в газовый элемент; на фиг. 3 схематично показан газовый элемент, выполненный из двух оребренных пластин с деталями лабиринта; на фиг. 4 схематично показан жидкостный элемент (металлическая рамка) с внутренними перегородками, приваренными к двум противоположным сторонам рамки в шахматном порядке; на фиг. 5 схематично показан жидкостный элемент с внутренними перегородками в виде спиралей.The technical nature and practical applicability of the claimed invention is illustrated by the following description and drawings, where in FIG. 1 schematically shows a TM consisting of three gas and two liquid elements in an assembly; in FIG. 2 schematically shows two plates, a finned plate and a plate without finning with parts of the labyrinth, before assembling them into a gas element; in FIG. 3 schematically shows a gas element made of two finned plates with parts of a maze; in FIG. 4 schematically shows a fluid element (metal frame) with internal partitions welded to two opposite sides of the frame in a checkerboard pattern; in FIG. 5 schematically shows a fluid element with internal partitions in the form of spirals.

Теплообменник содержит, по меньшей мере, один ТМ, собранный из газовых элементов 1, выполненных из пластин без оребрения 2 и оребренных пластин 3, и из жидкостных элементов 4. В некоторых случаях, по меньшей мере, одна пластина, по меньшей мере, одного газового элемента выполнена с деталями лабиринта 5 на ее наружной поверхности. Жидкостные элементы выполнены в виде металлических прямоугольных рамок 6 с разрезами 7 для подачи и отвода жидкости через коллекторы (не показаны). В некоторых случаях жидкостные элементы 4 выполнены с внутренними перегородками 8 или 9. Жидкостные элементы 4 установлены между двумя газовыми элементами 1 и приварены к ним. Для обеспечения достаточно высокой тепловой эффективности рекомендовано изготовление всех элементов ТМ приблизительно одинаковой толщины. Газовые элементы 1 в некоторых случаях объединяют с конфузором и диффузором (не показаны) на входе и выходе газа. При сборке пакета может быть выбрана любая схема движения теплообменивающихся сред, но использование противоточной схемы движения в ТМ наиболее эффективно. При изготовлении сварного теплообменника отдельные ТМ устанавливают друг на друга и приваривают их друг к другу, например, при помощи вваренных соединительных металлических полос. Предлагаемое устройство может быть использовано для подогрева технологических жидкостей или воды за счет тепла отходящих газов, а также для охлаждения технологических жидкостей или воды низкотемпературными газами. Предлагаемое устройство также может быть использовано для нагрева воздуха за счет тепла жидкостей.The heat exchanger contains at least one TM assembled from gas elements 1 made of plates without fins 2 and finned plates 3, and from liquid elements 4. In some cases, at least one plate of at least one gas element made with parts of the maze 5 on its outer surface. The liquid elements are made in the form of metal rectangular frames 6 with cuts 7 for supplying and discharging liquid through collectors (not shown). In some cases, the liquid elements 4 are made with internal partitions 8 or 9. The liquid elements 4 are installed between two gas elements 1 and are welded to them. To ensure a sufficiently high thermal efficiency, the manufacture of all TM elements of approximately the same thickness is recommended. Gas elements 1 in some cases are combined with a confuser and a diffuser (not shown) at the gas inlet and outlet. When assembling the package, any motion scheme of heat-exchanging media can be selected, but the use of a counter-current motion scheme in TM is most effective. In the manufacture of a welded heat exchanger, individual TMs are mounted on top of each other and welded to each other, for example, by means of welded connecting metal strips. The proposed device can be used for heating process liquids or water due to the heat of the exhaust gases, as well as for cooling process liquids or water with low-temperature gases. The proposed device can also be used to heat air due to the heat of liquids.

Теплообменник, например водонагреватель, работает следующим образом.A heat exchanger, such as a water heater, operates as follows.

В каналы газовых элементов 1, например, с помощью конфузоров (не показаны) подаются нагретые газы, а в резервуары жидкостных элементов 4 через коллекторы (не показаны) подаются подлежащие нагреву жидкости. Посредством теплопередачи через наружные поверхности пластин 2 или 3 газовых элементов 1, которые, по существу, являются одновременно верхними и нижними стенками жидкостных элементов 4, а также в некоторых случаях через наружные поверхности деталей лабиринта 5 производится теплообмен, в результате которого осуществляется нагрев жидкостей. Геометрические размеры рамки 6 и в некоторых случаях размеры и размещение внутренних перегородок 8 и 9, а также вид деталей лабиринта 5, приваренных к внутренним сторонам пластин 2 и 3, выбираются таким образом, чтобы обеспечить наиболее возможно высокую тепловую эффективность предлагаемого устройства при наименее возможных гидравлических потерях. Нагретые жидкости отводятся для их дальнейшего использования, например, в системах отопления или горячего водоснабжения. Мощность теплообменника зависит от количества ТМ, от количества элементов в ТМ, от материалов, из которых изготовлены элементы ТМ. Конфигурация теплообменника зависит от места установки и условий эксплуатации. Движение газов и жидкостей в ТМ осуществляется по любой удобной для заказчика схеме, но использование противоточной схемы движения теплоносителей наиболее эффективно.Heated gases are supplied to the channels of the gas elements 1, for example, by means of confusers (not shown), and the liquids to be heated are supplied to the reservoirs of the liquid elements 4 through collectors (not shown). Through heat transfer through the outer surfaces of the plates 2 or 3 of the gas elements 1, which are essentially the upper and lower walls of the liquid elements 4, and also in some cases through the outer surfaces of the parts of the labyrinth 5, heat is exchanged, as a result of which the liquids are heated. The geometric dimensions of the frame 6 and, in some cases, the dimensions and placement of the internal partitions 8 and 9, as well as the type of parts of the labyrinth 5, welded to the inner sides of the plates 2 and 3, are selected in such a way as to ensure the highest possible thermal efficiency of the proposed device with the least possible hydraulic losses. Heated liquids are diverted for further use, for example, in heating or hot water systems. The power of the heat exchanger depends on the number of TM, on the number of elements in the TM, on the materials from which the TM elements are made. The configuration of the heat exchanger depends on the installation location and operating conditions. The movement of gases and liquids in the TM is carried out according to any scheme convenient for the customer, but the use of a counter-current scheme of movement of coolants is most effective.

Возможность промышленного применения предлагаемого устройства показана на примере использования предлагаемого изобретения для изготовления высокотемпературных теплообменников-водонагревателей. Реализация предлагаемого устройства возможна с помощью известных и доступных современных технологий, материалов и конструкций, в основном российских.The possibility of industrial application of the proposed device is shown by the example of using the proposed invention for the manufacture of high-temperature heat exchangers-water heaters. Implementation of the proposed device is possible using well-known and affordable modern technologies, materials and structures, mainly Russian.

Пример использования предлагаемого устройстваAn example of using the proposed device

Предлагаемое устройство было реализовано авторами на предприятии компании ООО «Термо-Северный поток», которое на своем производстве по своим технологиям изготавливает оребренные пластины 3 с помощью индукционного нагрева (см. SU 820082 А1, 13.06.1979) для теплообменников различного назначения. Авторами был рассчитан, математически смоделирован, спроектирован и изготовлен в соответствии с предлагаемым изобретением модульный теплообменник для нагрева жидкости высокотемпературными газами. Пластины 3 для газовых элементов 1 выполнили из стальных листов -пластин 2, к внутренней поверхности которых приварили продольными рядами ребра. Для деталей лабиринта использовали прутки, которые приварили на наружную поверхность пластин 2. Прутки для рамок жидкостных элементов 6 и деталей лабиринта 5 изготовили из нержавеющей стали с высокой теплопроводностью. Был изготовлен модульный теплообменник из раздельных пакетов ТМ с габаритными размерами 0,84 м × 0,84 м × 0,84 м и теплообменник, в котором указанные ТМ установили друг на друга и соединили между собой за счет вварки между ТМ соединительных полос толщиной 1,5 мм и шириной 25 мм. Изготовленный модульный теплообменник по второму варианту исполнения имел следующие технические параметры:The proposed device was implemented by the authors at the company of the company Thermo-Nord Stream, which, in its own production, manufactures finned plates 3 using induction heating (see SU 820082 A1, 06/13/1979) for heat exchangers for various purposes. The authors calculated, mathematically modeled, designed and manufactured in accordance with the proposed invention a modular heat exchanger for heating liquids with high-temperature gases. Plates 3 for gas elements 1 were made of steel sheets-plates 2, to the inner surface of which were welded by longitudinal rows of ribs. For the parts of the maze, rods were used that were welded to the outer surface of the plates 2. The rods for the frames of the liquid elements 6 and the parts of the maze 5 were made of stainless steel with high thermal conductivity. A modular heat exchanger was made from separate TM packages with overall dimensions of 0.84 m × 0.84 m × 0.84 m and a heat exchanger in which these TMs were mounted on top of each other and connected to each other by welding between the TM connecting strips with a thickness of 1, 5 mm and a width of 25 mm. The manufactured modular heat exchanger according to the second embodiment had the following technical parameters:

температура газов на входе в теплообменник, °C,gas temperature at the inlet to the heat exchanger, ° C, 700700 температура жидкости на входе в теплообменник, °C,fluid temperature at the inlet to the heat exchanger, ° C, 50fifty температура жидкости на выходе из теплообменника, °C,liquid temperature at the outlet of the heat exchanger, ° C, 9090 тепловая мощность, кВт,thermal power, kW 169169 масса, кг, weight, kg 125125

В случае частичного износа ТМ, расположенных на участках с наибольшей нагрузкой, возможна перестановка местами изношенных и целых ТМ. Для этого производят разъединение ТМ теплообменника и осуществляют сборку ТМ в любом другом сочетании (без демонтажа всего теплообменника и без его транспортировки к месту ремонта). Вес каждого ТМ достаточно легко позволяет проделать эту операцию. Использование в некоторых случаях ввареных полос упрощает конструкцию, сборку и эксплуатацию теплообменника. Для перекомпоновки или замены ТМ, приваренных в теплообменнике друг к другу с помощью вваренных полос, достаточно вырезать тонкие полосы между соседними ТМ. Указанное разъединение ТМ происходит быстрее, чем разъединение обычно используемых фланцевых соединений. Модульное выполнение теплообменника позволяет увеличить конечный срок службы теплообменника, упрощает его монтаж и ремонт. Производство компании ООО «Термо-Северный поток» имеет возможность изготовления теплообменников различной конфигурации с заданными геометрическими параметрами элементов ТМ и из широкого круга материалов. Это позволяет использовать тепловую энергию отходящих газов или отработанных жидкостей для их переработки ее в тепловую энергию, сохраняя экологию окружающей среды.In the case of partial wear of the TM located in the areas with the highest load, it is possible to interchange the worn and whole TM in places. For this, the heat exchanger TM is disconnected and the TM is assembled in any other combination (without dismantling the entire heat exchanger and without transporting it to the repair site). The weight of each TM easily enough allows you to do this operation. The use of welded strips in some cases simplifies the design, assembly and operation of the heat exchanger. To rearrange or replace TM welded to each other in the heat exchanger using welded strips, it is enough to cut thin strips between adjacent TM. Said TM disconnection is faster than the disconnection of commonly used flange joints. The modular design of the heat exchanger allows you to increase the final service life of the heat exchanger, simplifies its installation and repair. Production of Thermo-Nord Stream LLC has the ability to manufacture heat exchangers of various configurations with specified geometric parameters of TM elements and from a wide range of materials. This allows you to use the thermal energy of the exhaust gases or spent liquids for their processing into thermal energy, preserving the ecology of the environment.

Claims

1. A heat exchanger comprising at least one welded heat exchange module, including gas elements mounted on top of each other and assembled in a bag, made of two thin-sheet metal plates parallel to each other with thin ribs installed between them, and liquid elements connected to the collectors for supplying and discharging liquid and installed between gas elements, characterized in that at least one plate of the gas element is made by finned equal-height ribs welded in parallel Yelnia rows to the inner side of the plate; the liquid elements are made of rectangular metal frames with two slots for supplying and discharging liquid, while the frames are rigidly pinched between the two outer surfaces of the plates of the gas elements adjacent to them and hermetically welded to adjacent gas elements.

2. The heat exchanger according to claim 1, characterized in that at least one plate of the gas element is made by finned ribs of equal height, which are welded in parallel rows to the inner side of the plate using high-frequency welding.

3. The heat exchanger according to claim 1, characterized in that the heat exchanger is assembled from at least two heat exchanger modules mounted on each other and welded to each other.

4. The heat exchanger according to claim 3, characterized in that the welding of the heat exchange modules to each other is performed using connecting metal strips.

5. The heat exchanger according to claim 1, characterized in that the frames of the liquid elements are made of stainless steel.

6. The heat exchanger according to claim 5, characterized in that the frames of the liquid elements are made of metal rods.

7. The heat exchanger according to claim 5, characterized in that the frames of the liquid elements are made of metal connecting strips welded between adjacent gas elements along the outer contour of the plates.

8. The heat exchanger according to claim 1, characterized in that the outer surface of at least one plate of at least one gas element is made with parts of the maze.

9. The heat exchanger according to claim 8, characterized in that the details of the maze are made in the form of metal rods welded to the outer surface of the plate in parallel rows.

10. The heat exchanger according to claim 8, characterized in that the labyrinth details are made in the form of metal pins welded to the outer surface of the plate in parallel rows.

11. The heat exchanger according to claim 8, characterized in that the details of the maze are made in the form of metal pins welded to the outer surface of the plate in a checkerboard pattern.

12. The heat exchanger according to claim 1, characterized in that at least one fluid element is made with internal partitions attached to the inner surface of the frame.

13. The heat exchanger according to claim 12, characterized in that the internal partitions are made of metal rods and are welded to the inner surface of one side of the frame.

14. The heat exchanger according to p. 12, characterized in that the internal partitions are made of metal rods and are welded to the inner surface of the opposite sides of the frame in a checkerboard pattern.

15. The heat exchanger according to claim 12, characterized in that the internal partitions are made of at least one metal spiral, in the form of a straight line - an internal spiral and a reverse - an external spiral, wound with gaps and welded to the inner surface of the frame.