теплообменный аппарат

Формула изобретения

1. Теплообменный аппарат, содержащий вертикально расположенные в кожухе пучки параллельных теплообменных элементов, выполненные в виде пространственно-спиральных змеевиков с одинаковыми геометрическими характеристиками, образующие отдельные шестигранные модули, объединенные в блок, отличающийся тем, что витки змеевиков заведены между витками смежных змеевиков как в пучке, так и между витками смежных пучков до их взаимного касания, а модули повернуты относительно оси симметрии блока на угол , определяемый по формуле



где n - количество рядов в шестигранном модуле, расположенных вокруг центрального элемента,

при этом расстояние между центрами модулей Н определяется по формуле



где Т - расстояние между центрами теплообменных элементов.

2. Теплообменный аппарат по п.1, отличающийся тем, что блок в поперечном сечении имеет форму, близкую к форме прямоугольника, длина сторон L_дл, L_ш которого определяются по формулам

L_дл= H(K_м-0,5)+C/cos;

L_ш= H(K_p-1)0,866+Bcos,

где К_м - количество модулей в ряду;

К_р - количество рядов (нечетное число);

В - размер шестигранного модуля по торцам, определяемого по формуле: В = 2Т х n + Д,

где Д - наружный диаметр теплообменного элемента;

С - размер под ключ шестигранного модуля, определяемого по формуле

С = 2Т х n х 0,866 + Д,

при этом количество модулей N в блоке определяется по формуле

N = К_м х К_р - 0,5 х (К_р - 1)

3. Теплообменный аппарат по п.1, отличающийся тем, что блок в поперечном сечении имеет форму, близкую к форме окружности, описанный диаметр трубного пучка D_оп которой определяется по формуле

D_оп= H(K₁-1)+Bcos

где К₁ - коэффициент, зависящий от количества теплообменных модулей, выполненных в форме шестигранника, расположенных в поперечном сечении теплообменника.

4. Теплообменный аппарат по п.1, отличающийся тем, что блок в поперечном сечении имеет форму, близкую к форме шестигранника, расстояние по граням L_s в котором определяется по формуле

L_s= H(K₁-1)+B/cos

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к энергетикe и может быть использовано в теплообменных аппаратах как с жидким, так и c газообразным теплоносителем.

Известны теплообменники и парогенераторы, теплообменная поверхность которых выполнена из отдельных пространственно- спиральных змеевиков с одинаковыми геометрическими характеристиками, оси которых параллельны (см. SU N 532744 A, 21.10.76, F 28 D 7/00; RU 1468150 C 30.09.94 F 28 D 7/00; RU 2006777 C1, 30.01.94, F 28 D 5/02; DE 3421421 A1, 03.01.85, F 28 D 7/02, EP 0751363 A1, 02.01.97, F 28 D 7/02, DE 3026954 C2, 09.05.85, F 28 D 7/02). Недостатками вышеуказанных конструкций является неэффективное заполнение теплообменной поверхностью корпуса теплообменного аппарата и небольшая турбулизация теплоносителя по межтрубному пространству, что требует значительного увеличения размеров теплообменного аппарата.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является теплообменный аппарат по SU N 1355852 A1, 30.11.87, F 28 D 7/00. Данный теплообменный аппарат имеет вертикально расположенные в кожухе пучки параллельных теплообменных элементов, выполненные в виде пространственно-спиральных змеевиков с одинаковыми геометрическими характеристиками, образующие отдельные шестигранные модули, объединенные в блок.

Недостатком данной конструкции является большие габариты теплообменного аппарата и невозможность получения у него оптимальных массогабаритных и теплогидравлических характеристик.

Задача, решаемая изобретением, - создание компактной конструкции теплообменного аппарата с повышенной надежностью и эффективностью работы при различных теплофизических свойствах теплоносителей.

Технический результат от использования изобретения заключается в получении такой компактной конструкции теплообменного аппарата, при которой высокая надежность конструкции сочетается с максимальной эффективностью теплообмена при минимальном гидравлическом сопротивлении для различных параметров теплофизических свойств теплоносителей.

Указанный технический результат достигается тем, что в теплообменном аппарате, имеющем вертикально расположенные в кожухе пучки параллельных теплообменных элементов, выполненные в виде пространственно-спиральных змеевиков с одинаковыми геометрическими характеристиками, образующие отдельные шестигранные модули, объединенные в блок, витки змеевиков заведены между витками смежных змеевиков как в пучке, так и между витками смежных пучков до их взаимного касания, при этом расстояние между центрами модулей H определяется по формуле



где T - расстояние между центрами теплообменных элементов;

n - количество рядов в шестигранном модуле, расположенных вокруг центрального элемента.

Причем при установке модули повернуты относительно оси симметрии блока на угол , определяемый по формуле



Блок, например, в регенераторе газотурбинных установок, при эксплуатации с теплоносителем, имеющем небольшое давление, движущемся по межтрубному пространству, в поперечном сечении может иметь форму, близкую к форме прямоугольника, длина сторон L_дл, L_ш которого определяeтся по формулам

L_дл = H(K_м-0,5)+C/cos;

L_ш = H(K_р-1)0,866+Bcos,

где К_м - количество модулей в ряду;

К_р - количество рядов (нечетное число);

B - размер шестигранного модуля по торцам, определяемого по формуле B= 2Tn+Д, где Д - наружный диаметр теплообменного элемента; C - размер под ключ шестигранного модуля, определяемого по формуле

C= 2Tn0,866 + Д,

при этом количество модулей N в блоке определяется по формуле

N=К_мК_р-0,5(К_р-1)

Теплообменный аппарат, например, в качестве бойлера или холодильника химического аппарата, имеющий по межтрубному пространству достаточно высокое давление теплоносителя, может иметь блок, форма которого в поперечном сечении близка к форме окружности, описанный диаметр трубного пучка _oп которой определяется по формуле

D_оп = H(K_I-1)+Bcos

где K_I - коэффициент, зависящий от количества теплообменных модулей, выполненных в форме шестигранника, расположенных в поперечном сечении теплообменника (см. таблицу).

Теплообменный аппарат может иметь блок, который в поперечном сечении имеет форму, близкую к форме шестигранника, расстояние по граням L_s в котором определяется по формуле

L_s = H(K_I-1)+B/cos

На фиг. 1 изображен теплообменный аппарат, продольный разрез;

на фиг. 2 - сечение на фиг. 1, у которого блок в поперечном сечении имеет форму, близкую к форме прямоугольника;

на фиг. 3 - сечение на фиг. 1, у которого блок в поперечном сечении имеет форму, близкую к форме круга;

на фиг. 4 - сечение на фиг. 1, у которого блок в поперечном сечении имеет форму, близкую к форме шестиугольника;

на фиг. 5 - выносной элемент А на фиг. 2, с указанием на то, что модули теплообменного аппарата повернуты относительно оси симметрии блока на угол .

Теплообменный аппарат содержит пучок змеевиков 1 с малым радиусом гиба, расположенных в корпусе 2 с трубами подвода 3, отвода 4 среды II контура, которые объединены трубными решетками 5, 6 с примыкающими к ним коллекторными камерами 7, 8 подвода-отвода среды. Среда 1 контура подводится и отводится через патрубки 9 и 10.

Теплообменный аппарат работает следующим образом.

Нагреваемая среда II подается в камеру 7, раздается трубами по вертикально расположенным в корпусе пучкам параллельных теплообменных элементов, выполненных в виде пространственно-спиральных змеевиков с одинаковыми геометрическими характеристиками, образующих отдельные шестигранные модули, витки змеевиков которых заведены между витками смежных змеевиков как в пучке, так и между витками смежных пучков до их взаимного касания, образуя единый блок. Нагреваемая среда, отдавая тепло охлаждаемой среде I, собирается в камере 8 и отводится из аппарата. Среда I контура поступает в патрубок 9 подвода среды, двигаясь навстречу среде II контура, отдает тепло и отводится через патрубок 10.

Промышленная применимость данного решения очевидна. В результате многочисленных опытно-экспериментальных исследований с различными диаметрами навивки доказано, что в этом случае теплообменная поверхность равномерно располагается в активном объеме, что позволяет получить оптимальные условия обтекания пучка змеевиков для различных теплоносителей. Теплоноситель II контура, двигаясь внутри змеевиков с малым радиусом гиба, которые расположены вертикально, имеет высокую турбулизацию, что препятствует отложению грязи и накипи и способствует их эффективному удалению.

Теплоноситель 1 контура, двигаясь по межтрубному пространству, разбивается на отдельные струйки, которые постоянно закручиваясь и перемешиваясь, обтекают змеевик снаружи и внутри, и расход струек пропорционален поверхности теплообмена. Это позволяет выравнивать температуру стенки по периметру трубы и повысить эффективность использования теплообменной поверхности.

Перечисленные признаки отличают предлагаемое техническое решение от прототипа и обуславливают соответствие этого решения требованиям изобретения.