RU220402U1 - Спиральный теплообменник - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области теплотехники и может быть использована в тепломассообменных аппаратах. Спиральный теплообменник содержит корпус, крышки, патрубки подачи и отвода, две скрученные в рулон спиральные ленты, сегментные перегородки, выполненные в виде планок, равномерно распределённые по длине каждой спиральной ленты и установленные в шахматном порядке с образованием зазора к одной из крышек, на расстоянии друг от друга, определяемом выражением:

В=l/0,8÷0,9,

где В – расстояние между планками, равное ширине спиральной ленты, м;

l – длина планки, м,

а начала спиральных лент закреплены к противоположным концам перегородки, установленной в центре теплообменника. Технический результат - увеличение эффективности процесса теплообмена.

Description

Полезная модель относится к конструкциям тепломассообменных аппаратов, а именно к спиральным теплообменникам, и может найти применение в химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей, газовой, пищевой, фармацевтической, машиностроительной, энергетической, атомной и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах очистки сточных вод и дымовых газов.

Известен спиральный теплообменник, представляющий собой два спиральных канала, навитых из рулонного материала вокруг центральной разделительной перегородки (корна) и закрытых с торцов крышками. Оба канала либо завариваются для герметизации с обоих торцов, либо устанавливаются на съемных крышках с прокладками. Для придания каналам спиральных теплообменников постоянного сечения и необходимой жесткости к одной из лент перед навивкой привариваются штифты, которые увеличивают жесткость и фиксируют расстояние между каналами [Оборудование нефтепереработки, химической и нефтехимических производств / Под общей редакцией А. С. Тимонина / 2-е издание, перераб. испр. и доп. – Москва: Вологда, Инфра – Инженерия, 2022, с. 498 - 500].

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная производительность из-за постоянной скорости движения теплоносителей в обоих каналах. Это приводит к уменьшению скоростей теплоотдачи и теплопередачи через поверхности рулонного материала.

Известны конструкции спиральных теплообменников для жидкости, состоящие из спирального корпуса с тупиковыми каналами, двух плоских крышек по торцам с прокладками, четырех штуцеров для входа и выхода теплоносителей, два из которых установлены в центральной части крышки, а два в верхней части корпуса на коллекторах. Корпус спирали выполняется на лапах при установке на фундамент в горизонтальном положении. Или корпус выполнен на цапфах для установки в любом положении: вертикальном, горизонтальном или наклонном [Пластинчатые и спиральные теплообменники / Н. В. Барановский, Л. М. Коваленко, А. Р. Ястребенецкий. - Москва : Машиностроение, 1973. - 288 с].

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная производительность из-за относительно невысоких коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи при средних постоянных скоростях течения обоих теплоносителей вдоль поверхности спиралей корпуса. Кроме того, отсутствие ограничительных элементов между стенками каналов при повышенных давлениях может привести к деформации и смятию поверхностей спирали по их длине и ширине, что потребует остановки и ремонта спирального теплообменника, а значит приведет к уменьшению времени работы и производительности в целом.

Известен спиральный теплообменник, содержащий каналы для рабочих сред, изготовленные из рулонной ленты, в одном из которых размещены штифты, снабженные турбулизаторами, выполненными из ленты, закрученной в продольном направлении [Патент РФ №2156423, МПК F28D 7/04; 20.09.2000 г].

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится сложность конструкции, нетехнологичность изготовления теплообменника, а также повышенная масса, обусловленная наличием сложных узлов герметизации, чем обусловлена высокая стоимость изготовления.

Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявляемому объекту и принятому за прототип является спиральный теплообменник, содержащий корпус с подводящими и отводящими патрубками, двухканальную спираль из листов, детали, фиксирующие расстояние между листами спирали, упоры, уложенные в каналы с двух сторон спирали, уплотнение торцов спирали, крышки с прокладками по торцам спирали, причем детали, фиксирующие расстояние между листами спирали, выполнены в виде зигзагообразных проставок, размещаемых вдоль всей спирали [Патент РФ №74697, МПК F28D 7/04; 28.01.2008 г].

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится малая производительность из-за непостоянства скорости обоих теплоносителей вдоль обеих поверхностей двухканальной спирали из листов в корпусе, которая приводит к снижению общего коэффициента теплопередачи, а значит и уменьшению производительности.

Техническим результатом предлагаемой конструкции массообменной колонны является увеличение эффективности процесса теплообмена.

Поставленный технический результат достигается тем, что спиральный теплообменник, содержащий корпус, крышки, патрубки подачи и отвода, две скрученные в рулон спиральные ленты, сегментные перегородки, отличающийся тем, что сегментные перегородки выполнены в виде планок, равномерно распределённых по длине каждой спиральной ленты и установленных в шахматном порядке с образованием зазора к одной из крышек на расстоянии друг от друга, определяемом выражением:

В=l/0,8÷0,9,

где В – расстояние между планками, равное ширине спиральной ленты, м,

l – длина планки, м,

а начала спиральных лент закреплены к противоположным концам перегородки, установленной в центре теплообменника.

Сегментные перегородки, выполненные в виде планок и упирающиеся в стенки другой спиральной ленты, фиксируя спиральный зазор, увеличивают жесткость поверхности спиральных лент и не позволяют лентам сминаться и деформироваться под давлением теплоносителей. Это увеличивает межремонтный пробег, а значит способствует увеличению основного времени работы аппарата и его производительности.

Установка сегментных перегородок на расстоянии между ними, равным ширине спиральные ленты, а также в шахматном порядке с образованием разора к одной из крышек, приводит к отсутствию застойных зон и способствует движению теплоносителей от продольного к поперечному, но с равной их средней скоростью. Такое периодическое движение обеспечивает выравнивание времени пребывания всех элементов потока внутри каждого канала (с идеальным смешением между смежными планками и идеальным вытеснением от входа к выходу каждого теплоносителя). Этот переход к идеальному вытеснению структуры потоков каждого теплоносителя увеличивает скорость теплопередачи, а значит способствует росту эффективности процесса теплообмена.

Также установка сегментных перегородок с образованием зазора к одной из крышек обеспечивает поворот потока каждого теплоносителя на 180° в этих зазорах. Такое изменение направления потока теплоносителя от одной ячейки между смежными сегментными перегородками к другой переводит движение теплоносителей в режим идеального вытеснения, что способствует росту теплопередачи и эффективности процесса теплообмена.

Уменьшение относительной длины каждой сегментной перегородки, по сравнению с заявляемой величиной, равной 0,8, не позволяет использовать в полной мере положительный эффект от смены направления потока теплоносителя на 180°. Это уменьшает переход к идеальному вытеснению всей массы каждого теплоносителя и снижает эффективность процесса теплообмена.

Увеличение относительной длины каждой сегментной перегородки, по сравнению с заявляемой величиной, равной 0,9, значительно увеличивает гидравлическое сопротивление, что снижает среднюю скорость теплоносителей. Это приводит к уменьшению теплопередачи. Обычно такие же сегментные перегородки ставят в межтрубном пространстве кожухотрубных теплообменников для изменения продольного движения теплоносителя в этом межтрубном пространстве к поперечному, что также увеличивает теплопередачу и эффективности процесса теплообмена.

На фиг. 1 изображен общий вид предлагаемой конструкции спирального теплообменника, на фиг. 2 представлен поперечный разрез спирального теплообменника.

Спиральный теплообменник состоит корпуса 1, крышек 2, патрубков подачи 3 и отвода 4. Внутри корпуса 1 установлены две скрученные в рулон спиральные ленты 5, начала которых закреплены к противоположным концам перегородки 6. В результате чего образуются две спирали со смещением 180° и две герметичные и изолированные друг от друга полости (спиральные каналы).

На каждой спиральной ленте 5, на одной ее стороне, равномерно распределены по длине сегментной перегородки 7, выполненные в виде планок и установленные в шахматном порядке с образованием зазора к одной из крышек. При этом, при скручивании спиральных лент 5 сегментные перегородки 7 упираются в стенки другой спиральной ленты 5, фиксируя, таким образом, спиральный зазор.

Спиральный теплообменник предлагаемой конструкции работает следующим образом.

Корпус 1 герметично закрывается крышками 2 с помощью болтов с гайками и прокладками. По патрубкам подачи 3 внутрь спирального теплообменника подаются противотоком теплоносители, каждый теплоноситель поступает по своему спиральному каналу, образованному спиральными лентами 5, и также, не смешиваясь, выводятся по своим патрубкам отвода 4 наружу. Внутри спиральных каналов каждый теплоноситель движется не вдоль поверхности теплообмена спиральных лент 5, а поперёк, проходя между сегментными перегородками 7. При этом изменяется направление каждого потока теплоносителей между сегментными перегородками 7, образовывая вихревые потоки из-за различных значений фиктивной скорости, тем самым увеличивая фиктивную скорость потока в области их установки, что позволит разрушать пристенный ламинарный слой с обеих сторон спирального канала. То есть происходит переход к идеальному вытеснению, за счёт отсутствия застойных зон, а значит увеличивается эффективность процесса теплопередачи.

Таким образом, использование спирального теплообменника, содержащего корпус, крышки, патрубки подачи и отвода, перегородку, две скрученные в рулон спиральные ленты с сегментными перегородками, равномерно распределёнными по их длине и установленными в шахматном порядке с образованием зазора к одной из крышек, позволяет увеличить эффективность процесса теплообмена.

Claims (5)

1. Спиральный теплообменник, содержащий корпус, крышки, патрубки подачи и отвода, две скрученные в рулон спиральные ленты, сегментные перегородки, отличающийся тем, что сегментные перегородки выполнены в виде планок, равномерно распределённых по длине каждой спиральной ленты и установленных в шахматном порядке с образованием зазора к одной из крышек на расстоянии друг от друга, определяемом выражением:
2. В=l/0,8÷0,9,
3. где В – расстояние между планками, равное ширине спиральной ленты, м,
4. l – длина планки, м,
5. а начала спиральных лент закреплены к противоположным концам перегородки, установленной в центре теплообменника.

Images