Рекуператор
(57) Рекуператор предназначен для работы в условиях работы со средами теплообмена с различающимися давлениями и со средами высокого давления. Рекуператор содержит пластинчатые секции 1 в виде сэндвич-панелей, выполненные из двух сваренных между собой оребренных панелей 2 и 4 плоской или криволинейной формы, и трубчатые секции 6, выполненные с использованием рядов труб 7 или змеевиков. Секции рекуператора 1 и 6 установлены чередующимися между собой с образованием прочного и жесткого несущего каркаса и стянуты в единый пакет. Рекуператор предназначен для утилизации тепла, очистки воздуха, кондиционирования и отопления и предлагается к использованию в энергомашиностроении, в металлургии, в энергетической, химической нефтеперерабатывающей, строительной и машиностроительной промышленности. 8 з.п. ф., 6 илл.
Настоящая полезная модель относится к теплообменным устройствам, работающим в условиях высокого давления одной или нескольких сред, и может быть использована в энергетической, химической, нефтеперерабатывающей и металлургической промышленности в системах электрического или газового нагрева, а также нагрева мазутом или углем для очистки отходящего в атмосферу тепла и/или его повторного использования.
Известно устройство, пластинчатый теплообменник, предназначенный для работы в условиях высокого давления одной или нескольких сред теплообмена, содержащий теплообменные пластины с выступами, выполненными на одной стороне пластины, помещенные одна на другую с образованием чередующихся каналов для газообразных или жидких сред теплообмена. (SU 516894 А1, 05.06.1976).
В известном устройстве пластины с выступами представляют собой по существу оребренные листовые панели с рядами равновысоких ребер. Чередующиеся каналы для сред теплообмена ограничены ребрами одной панели и гладкой поверхностью смежной с ней панели. Расположение рядов ребер смежных панелей под прямым углом относительно друг друга создает опорные площадки в их пересечениях и образует несущий каркас, обеспечивающий необходимую жесткость и прочность данного устройства при высоком давлении, несмотря на малую толщину стенок каналов. По существу, это устройство содержит чередующиеся между собой пластинчатые
секции для сред теплообмена низкого и высокого давления или только высокого давления, по каналам которых происходит перемещение сред в направлении друг относительно друга.
К недостаткам этого устройства следует отнести достаточно высокие механические нагрузки за счет давления на смежные стенки каналов для сред теплообмена, что снижает надежность работы данного устройства, так как может привести к разгерметизации полостей упомянутых каналов.
Данное устройство имеет наибольшее количество существенных признаков, совпадающих с существенными признаками предлагаемого устройства, и выбирается в качестве прототипа.
Технической задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является повышение надежности работы рекуператора в условиях высокого давления, по меньшей мере, одной из сред.
Решение поставленной задачи состоит в том, что в устройстве, содержащем чередующиеся секции для сред теплообмена, включающие пластинчатые секции, выполненные из односторонне оребренных листовых панелей с рядами равновысоких ребер, которые, согласно предлагаемой полезной модели выполнены из двух сваренных между собой оребренных панелей плоской или криволинейной формы, вставленных друг в друга навстречу ребрами, чередующимися друг относительно друга в пространстве между панелями, при этом пластинчатые секции расположены чередующимися с трубчатыми секциями, содержащими змеевик или ряды труб, которые плотно зажаты между пластинчатыми секциями с образованием надежного теплового контакта между ними; при этом все секции собраны в единый пакет.
При этом в некоторых случаях внутренняя поверхность оребренных панелей пластинчатых секций выполнена с элементами турбулизации.
При этом в некоторых случаях, по меньшей мере, одна оребренная панель пластинчатой секции выполнена сварной.
При этом в некоторых случаях ребра панелей пластинчатых секций выполнены с гофрированными верхними кромками.
При этом в некоторых случаях ребра, по меньшей мере, одной оребренной панели пластинчатой секции, выполнены с утолщенными верхними кромками.
При этом в некоторых случаях трубы или горизонтальные части змеевика, по меньшей мере, одной трубчатой секции выполнены с продольным или с поперечным оребрением с ребрами, выполненными из материала, отличного от материала труб или змеевика, на которых они установлены.
При этом в некоторых случаях продольные ребра соседних труб с продольным оребрением, по меньшей мере, одной трубчатой секции попарно приварены друг к другу своими внешними кромками.
При этом в некоторых случаях трубчатые секции выполнены в виде закрытых полостей, межтрубное пространство которых заполнено промежуточным теплоносителем.
При этом в некоторых случаях трубы и/или горизонтальные части змеевиков установлены под прямым углом относительно рядов ребер смежных пластинчатых секций.
Технический результат от использования предлагаемой полезной модели состоит в повышение надежности работы устройства в условиях высокого давления одной или нескольких сред при
повышении эффективности теплообмена и расширении возможности применения.
Указанный технический результат повышения надежности работы предлагаемого устройства достигается тем, что пластинчатые секции выполняются из сваренных между собой двух оребренных панелей с равновысокими ребрами, которые чередуются друг относительно друга в пространстве между панелями и образуют каналы для сред теплообмена. Сварная конструкция пластинчатых секций имеет более высокую механическую прочность, чем устройство по прототипу. Следует отметить, что упрочненные пластинчатые секции представляют собой по существу силовой конструктивный элемент с ребрами жесткости типа сэндвич-панели. При этом выполнение ребер с гофрированной внешней кромкой или с утолщенной верхней кромкой еще более повышает прочность пластинчатых секций при механической нагрузке на их внешние поверхности за счет увеличения площади опорных площадок для внешних кромок ребер и внутренних поверхностей панелей.
В некоторых случаях указанный технический результат повышения эффективности теплообмена достигается тем, что, внутренние поверхности панелей пластинчатых секций выполняются с элементами турбулизации. Это объясняется повышением эффективности прохождения теплообменивающихся сред в каналах за счет образования тонкого пристеночного слоя, не позволяющего средам касаться стенок канала, снижая при этом аэродинамическое сопротивление потоку и повышая теплообмен, по сравнению с устройством по прототипу, выполненного с гладкими поверхностями пластин и ребер. Следует отметить, что любое конструктивное утолщение верхних кромок ребер пластинчатой секции также
утолщение верхних кромок ребер пластинчатой секции также представляет собой элемент турбулизации потоков теплоносителей внутри каналов.
В некоторых случаях указанный технический результат повышения эффективности теплообмена и расширения возможности применения предлагаемого устройства по сравнению с устройством по прототипу достигается при использовании пластинчатых секций, содержащих, по меньшей мере, одну сварную оребренную панель. Это объясняется тем, что сварные оребренные панели относятся к сборным панелям, в которых листы панелей и приваренные к ним ребра могут выполняться из разных материалов. При этом существует возможность оптимизировать процессы теплообмена в каналах пластинчатых секций за счет выбора материалов ребер и листа в зависимости от теплофизических свойств сред теплообмена.
Указанный технический результат расширения возможности применения предлагаемого устройства достигается при выполнении пластинчатых секций из криволинейных оребренных панелей. Возможность изготовления секций с криволинейной формой поверхности объясняется тем, что листовые панели, односторонне оребренные рядами ребер, особенно протяженные панели, имеют невысокую продольную жесткость и легко сворачиваются в рулоны, а также легко вальцуются, что расширяет возможность применения предлагаемого устройства по сравнению с устройством по прототипу, который не имеет указанной возможности.
Указанный технический результат повышения надежности работы предлагаемого устройства при работе со средами теплообмена высокого давления, по сравнению с устройством по прототипу, достигается использованием трубчатых секций. Это объясняется тем,
что внутренние полости змеевиков или труб более удобно использовать в качестве каналов для прохождения сред высокого давления. При этом появляется возможность направить среды более низкого давления в пластинчатые секции, а среды более высокого давления - в трубчатые секции, не позволяя им смешиваться.
Указанный технический результат достигается в некоторых случаях выполнением змеевиков или труб с внешними поперечными или продольными ребрами, выполненными из материала, отличного от материала труб или змеевика, на которых они установлены. Это объясняется повышением эффективности теплоотдачи при увеличении общей площади теплообмена за счет внешней поверхности указанных ребер, а также при выполнении ребер из материалов с более высокой теплопроводностью, чем материал трубы или змеевика. При этом использование приварки продольных ребер соседних труб своими внешними кромками друг к другу исключает смещение труб относительно друг друга, особенно, в отсутствии промежуточного теплоносителя, повышая надежность работы предлагаемого устройства за счет увеличения механической жесткости трубчатых секций.
При этом в некоторых случаях указанный технический результат повышения эффективности теплообмена достигается выполнением трубчатых секций с закрытыми полостями, например, с полостями, закрытыми боковыми стенками, межтрубное пространство которых заполнено промежуточным теплоносителем. Это объясняется более плотным тепловым контактом между трубчатыми секциями и внешней поверхностью соседних с ним пластинчатых секций. Кроме того заполнение трубчатой секции промежуточным теплоносителем
повышает надежность работы предлагаемого устройства за счет обеспечения неподвижности змеевика или труб внутри секции.
В некоторых случаях указанный технический результат повышения надежности работы предлагаемого устройства достигается за счет того, что трубы и/или горизонтальные части змеевиков трубчатых секций установлены под прямым углом относительно рядов ребер смежных с ними пластинчатых секций. Это объясняется тем, что опорные площадки в их пересечениях образуют несущий каркас, обеспечивающий более высокую жесткость и прочность предлагаемого устройства, чем при ином их расположении.
Также указанный технический результат достигается за счет протяженного механического и теплового контакта при плотном прижатии пластинчатых и трубчатых секций предлагаемого устройства друг к другу, а также за счет сборки секций в единый пакет рекуператора. При этом повышается прочность предлагаемого устройства и надежность его работы при повышении эффективности теплопередачи между соседними секциями.
Сущность предлагаемого технического решения и возможность его практической реализации схематично поясняется чертежами фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4, фиг. 5 и фиг. 6.
На чертежах показано:
1 - пластинчатая секция;
2 - верхняя оребренная панель пластинчатой секции;
3 - ребро верхней панели пластинчатой секции;
4 - нижняя оребренная панель пластинчатой секции;
5 - ребро нижней панели пластинчатой секции;
6 - трубчатая секция;
7 - труба;
8 - боковая стенка трубчатой секции;
9 - промежуточный теплоноситель трубчатой секции;
10 - внешнее продольное ребро трубы;
11 - внешнее поперечное ребро трубы.
Места сварки показаны утолщенными черными точками. На всех чертежах секции показаны со снятым кожухом.
На фиг. 1 схематично изображен внешний вид рекуператора. Показаны три одинаковые пластинчатые секции 1 с вертикальными ребрами 3 и 5, и две одинаковые трубчатые секции 6 с рядами труб 7, полости которых закрыты боковыми стенками 8. Трубы 7 установлены под прямым углом к рядам ребер 3 и 5 пластинчатых секций 1.
На фиг. 2 схематично изображена пластинчатая секция 1 с двумя оребренными панелями 2 и 4, выполненными с приваренными к ним вертикальными ребрами 3 и 5. Панели 2 и 4 приварены друг к другу крайними ребрами 3 панели 2 к краям панели 4. Оребрение секции выполнено чередующимися в шахматном порядке ребрами 3 и 5, установленными с одинаковым шагом.
На фиг. 3 схематично изображены три пластинчатые секции 1 и две трубчатые секции 6. Трубчатые секции 6 содержат ряды труб 7 с внешним поперечным оребрением ребрами 11. Межтрубное пространство трубчатых секций 6 заполнено промежуточным теплоносителем 9. Трубчатые секции 6 заварены с помощью боковых стенок 8.
На фиг. 4 схематично изображены две пластинчатые секции 1 и одна трубчатая секция 6, содержащая ряды труб 7 с внешним продольным оребрением ребрами 10. Ребра 10 соседних труб 7 приварены друг к другу внешними кромками.
На фиг. 5 схематично изображены две пластинчатые секции 1 криволинейной формы, в виде замкнутой обечайки, и одна трубчатая секция 6, содержащая ряды труб 7, плотно прижатых друг к другу. Внешняя секция 1 выполнена из оребренных панелей с продольным оребрением, а внутренняя - из оребренных панелей с поперечным оребрением.
На фиг. 6 схематично изображены четыре пластинчатые секции 1 (оребрение не показано) криволинейной формы в виде синусоиды и три трубчатые секции 6, содержащие трубы 7. Межтрубное пространство секций 6 заполнено промежуточным теплоносителем 9.
Сущность предлагаемой полезной модели
Пакет рекуператора содержит упрочненные пластинчатые секции 1, выполненные в виде сэндвич-панелей и состоящие из двух односторонне оребренных панелей 2 и 4, и трубчатые секции 6, содержащие змеевик или трубы 7, плотно зажатые между пластинчатыми секциями 1. Секции собраны в пакет. Количество секций в пакете зависит параметров рекуператора, например, от мощности или его производительности.
Устройство работает следующим образом.
Среды теплообмена, например, низкого и высокого давления, или только высокого давления подаются в каналы упрочненных пластинчатых секций 1 и в полости труб 7 или змеевика трубчатых секций 6. При этом потоки газа и/или жидкости, имеющие разную температуру и/или давление, перемещаются каждый по своему направлению, не смешиваясь друг с другом. Между внешними поверхностями пластинчатых секций 1 и смежными с ними внешними
поверхностями трубчатых секций 6 осуществляется теплообмен. Затем отработанные и очищенные среды теплообмена отводятся из рекуператора. Для повышения теплообмена трубчатые секции 6 выполняются закрытыми либо кожухом пакета, либо боковыми стенками 8, а межтрубное пространство трубчатых секций заполняется промежуточным теплоносителем. Возможность работы со средами повышенного и высокого давления обеспечивается благодаря использованию полостей труб 7 или змеевиков в качестве каналов для прохода указанных сред, а также, в некоторых случаях, и за счет предлагаемых упрочненных конструкций, сэндвич - панелей, пластинчатых секций 1, собранных из двух, сваренных между собой оребренных листовых панелей 2 и 4, которые обеспечивают прохождение сред теплообмена с давлением до 10 атмосфер при сохранении прочности секций. При этом упомянутые секции 1 могут рассматриваться как модули для сборки теплообменной аппаратуры, которые снижают расходы на ее изготовление, имея в виду создание и использование готовых унифицированных модулей для разных вариантов сборки рекуператоров.
Пример изготовления и использования
Авторами предлагаемой полезной модели были сконструированы и изготовлены по собственным технологиям ноу-хау, а также опробованы рабочие образцы рекуператоров, работающих в условиях высокого давления и/или высоких температур сред теплообмена. При этом были использованы трубчатые секции 6 с трубами 7 круглого, плоскоовального и квадратного сечения разного диаметра. Были трубчатые секции 6 с закрытыми полостями, межтрубное пространство которых заполняли промежуточным теплоносителем 9, и с открытыми полостями. В качестве
промежуточного теплоносителя авторы использовали магнезит, мелкозернистый термостойкий материал с высоким коэффициентом теплопроводности. Также были проведены эксперименты с загрязненными теплоносителями и с коррозионно-активными жидкостями, которые направляли в полости трубчатых секций 6. При этом авторы использовали трубы 7 с внутренним антикоррозийным покрытием. Также были испытаны рекуператоры с горизонтальным и вертикальным расположением труб 7, а также рекуператоры с прямолинейными и криволинейными каналами для сред теплообмена, в частности, спиральные рекуператоры.
Изготовленные рекуператоры обладали высокой эффективностью теплообмена и простотой сборки, а также позволяли выполнить рекуператоры любых требуемых заказчиком размеров и форм. Рекуператоры имели невысокую стоимость, при этом они обладали технологичностью монтажа и удобством обслуживания в процессе эксплуатации.
Испытания, проводимые для разных конструкций, выполненных с использованием предлагаемой полезной модели, показали, что любая совокупность существенных признаков предлагаемого устройства обеспечивает более высокие эксплуатационные качества, чем у устройства по прототипу, при расширении возможности применения.
1. Рекуператор, содержащий чередующиеся секции для сред теплообмена, включающие пластинчатые секции, выполненные из односторонне оребренных листовых панелей с рядами равновысоких ребер, отличающийся тем, что пластинчатые секции выполнены из двух, сваренных между собой, оребренных панелей плоской или криволинейной формы, вставленных друг в друга навстречу ребрами, чередующимися относительно друг друга в пространстве между панелями; при этом пластинчатые секции расположены чередующимися с трубчатыми секциями, содержащими змеевик или ряды труб; причем трубчатые секции плотно зажаты между пластинчатыми секциями с образованием надежного теплового контакта между ними и все секции собраны в единый пакет.
2. Рекуператор по п. 1, отличающийся тем, что внутренняя поверхность оребренных панелей пластинчатых секций выполнена с элементами турбулизации.
3. Рекуператор по п. 1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одна оребренная панель пластинчатой секции выполнена с помощью сварки.
4. Рекуператор по одному любому из пп. 1, 2 или 3, отличающийся тем, что ребра панелей пластинчатых секций выполнены с гофрированными верхними кромками,
5. Рекуператор по одному любому из пп. 1, 2 или 3, отличающийся тем, что ребра, по меньшей мере, одной оребренной панели пластинчатой секции, выполнены с утолщенными верхними кромками.
6. Рекуператор по п. 1, отличающийся тем, что трубы или горизонтальные части змеевика, по меньшей мере, одной трубчатой секции выполнены с продольным или с поперечным оребрением ребрами, выполненными из материала, отличного от материала труб или змеевика, на которых они установлены.
7. Рекуператор по п. 6, отличающийся тем, что, по меньшей мере, два продольных ребра соседних труб трубчатой секции приварены друг к другу своими внешними кромками.
8. Рекуператор по одному любому из пп. 1, 6 или 7, отличающийся тем, что трубчатые секции выполнены в виде закрытых полостей, межтрубное пространство которых заполнено промежуточным теплоносителем.
9. Рекуператор по одному любому из пп. 1, 6 или 7, отличающийся тем, что трубы и/или горизонтальные части змеевиков установлены под прямым углом относительно рядов ребер смежных пластинчатых секций.
РИСУНКИ
