Теплообменник для систем нагрева и охлаждения

Полезная модель относится к теплоэнергетике, в частности, к теплообменикам для теплообмена между тремя несмешивающимися теплоносителями при последовательном контакте через разделяющие их стенки, и может быть использована для нагрева и охлаждения в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха в жилых и производственных помещениях, а также в холодильных установках с камерным и локальным охлаждением. Теплообменник состоит из корпуса коробчатой формы, образующего камеру теплообмена, и расположенного внутри корпуса трубчатого теплообменного элемента с закрепленными на нем ребрами. Корпус и трубчатый теплообменный элемент выполнены с возможностью раздельного подвода и отвода теплоносителей посредством распределительных коллекторов. Корпус выполнен замкнутой коробчатой формы, на наружных поверхностях, по меньшей мере, двух противоположных боковых стенок корпуса закреплены ребра. Ребра расположены с некоторым шагом друг относительно друга и перпендикулярно к поверхности этих стенок. Трубчатый теплообменный элемент размещен со смещением к одной из торцевых стенок корпуса. Корпус и ребра выполнены из тонкого листового металла, не взаимодействующего с применяемым теплоносителем, например, алюминия. Стенки корпуса соединены в короб посредством заклепочных соединений. В зоне заклепочных соединений между прилегающими друг к другу поверхностями кромок стенок корпуса расположен герметик, например, силиконовый. На одной из стенок корпуса выполнено, по меньшей мере, одно отверстие для подвода и отвода теплоносителя в камеру теплообмена. Количество и высота ребер, закрепленных на корпусе, выбираются из условия, при котором общая площадь их поверхности не менее общей площади поверхности стенок корпуса. Ребра закреплены на противоположных стенках корпуса симметрично друг относительно друга или с некоторым смещением, например, на ¹/₂ шага. Ребра выполнены в виде, например, П-образных профилей, закрепленных на упомянутых стенках корпуса через перемычку профиля посредством заклепочного соединения, включающего не менее трех заклепок по длине каждого ребра. В зоне заклепочного соединения между прилегающими друг к другу поверхностями перемычек ребер и упомянутых стенок корпуса расположен герметик, например, силиконовый. Трубчатый теплообменный элемент выполнен, например, из медной трубки U-образной или S-образной формы с последовательно чередующимися участками сужения и расширения внутреннего канала. Ребра на трубчатом теплообменном элементе закреплены с заданным шагом перпендикулярно к внутренней поверхности стенок корпуса и выполнены,

например, из плоских пластин. Конструкция теплообменника является универсальной, т.к. может использоваться для нагрева и охлаждения в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха в жилых и производственных помещениях, а также в холодильных установках с камерным и локальным охлаждением. Теплообменник обладает высокой эффективностью теплообмена, а также возможностью регулирования процесса теплообмена с учетом изменения условий эксплуатации при неизменных параметрах на входе в теплообменник. При этом теплообменник отличается простотой конструкции, имеет небольшие габаритные размеры и невысокую стоимость изготовления в сочетании с удобством и технологичностью монтажа и обслуживания в процессе эксплуатации. 1 н.п. ф-лы; 10 з.п. ф-лы; 3 фиг. черт.; 2 прим.

Полезная модель относится к теплоэнергетике, в частности, к теплообменикам для теплообмена между тремя несмешивающимися теплоносителями при последовательном контакте через разделяющие их стенки, и может быть использована для нагрева и охлаждения в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха в жилых и производственных помещениях, а также в холодильных установках с камерным и локальным охлаждением.

Важными условиями функционирования теплообменных устройств, которые должны учитываться при их разработке и последующей эксплуатации, являются, во-первых, обеспечение оптимальной эффективности теплообменного процесса (тепловая мощность, давление, температура и расход теплоносителя) для заданных условий эксплуатации, во-вторых, возможность регулирования процесса теплообмена с учетом изменения условий эксплуатации при неизменных параметрах на входе в теплообменник, в-третьих, простота конструкции в сочетании с невысокой стоимостью применяемых материалов и теплообменных устройств в целом, и, в-четвертых, удобство и надежность в процессе эксплуатации, в т.ч. при обслуживании и ремонте.

Известен модульный теплообменник (Патент RU №2042911, F24D 9/00, дата публикации 27.08.1995 г.), состоящий из корпуса коробчатой формы, образующего камеру теплообмена. Корпус выполнен с открытыми торцами, на одном из которых закреплено днище. Внутри корпуса над днищем размещены теплообменные элементы в виде пакета пластин с уплотнителями между ними, образующими раздельные проточные каналы для двух теплоносителей. На противоположном торце корпуса указанный пакет зафиксирован съемной крышкой. Корпус содержит, по меньшей мере, один разъем, а также входные и выходные отверстия для двух теплоносителей, выполненные с возможностью соединения с коллекторами. Эффективность теплообмена регулируется как за счет изменения объема камеры теплообмена путем подбора соответствующего количества пластин и уплотнителей в пакете, так и за счет изменения организации движения теплоносителя - по схемам прямотока, противотока или перекрестных потоков - путем разных вариантов подачи теплоносителей через входные и выходные отверстия в корпусе.

Теплообменник может использоваться с одним пакетом в корпусе, а также в сборе из нескольких пакетов. В сборном варианте исполнения съемные крышки размещены между пакетами пластин с уплотнителями и сверху замыкающего пакета. При этом съемные

крышки являются перегородками, задающими схемы потока теплоносителя в близлежащих пакетах, а также перераспределяют усилия давления между стенками корпуса. Такой вариант исполнения позволяет реализовать многоконтурную схему теплообмена.

Известный теплообменник позволяет обеспечить эффективность теплообменного процесса для заданных условий эксплуатации, а также возможность его регулирования с учетом изменения этих условий при неизменных параметрах на входе в теплообменник как за счет изменения объема камеры теплообмена - при изменении количества пластин и уплотнений в пакетах, так и за счет изменения схемы движения теплоносителей - при изменении взаимного расположения пакетов.

Недостатками известного теплообменника являются:

- ограниченная область применения, обусловленная конструктивным исполнением, исключающим его использование в системах, в которых теплопередача осуществляется от корпуса непосредственно в объект обслуживания;

- большая материалоемкость и сложность конструкции, обусловленная применением толстостенных деталей для изготовления корпуса и наличием значительного количества деталей в теплообменных пакетах, что существенно увеличивает стоимость его изготовления;

- сложность технического обслуживания и ремонта в процессе эксплуатации, обусловленная необходимостью демонтажа и последующего монтажа большого количества деталей.

В совокупности указанные недостатки существенно ограничивают функциональные возможности теплообменника-аналога.

Известен теплообменник (Патент RU №1531615, F28D 1/00, дата публикации 10.07.2006 г.), состоящий из корпуса коробчатой формы, образующего камеру теплообмена, и расположенного внутри корпуса трубчатого теплообменного элемента с закрепленными на нем ребрами, при этом корпус и трубчатый теплообменный элемент выполнены с возможностью раздельного подвода и отвода теплоносителей. Корпус выполнен прямоугольной формы с открытыми торцами, которые соединены с газовой магистралью. Трубчатый теплообменный элемент выполнен изогнутым в форме змеевика и содержит гофрированные ребра, между которыми смонтированы пластины с отбуртовками для крепления к внутренним стенкам корпуса. Две противоположные стенки корпуса выполнены с полуцилиндрическими выемками, соединенными с дополнительными полуцилиндрическими элементами, образующими распределительные коллекторы для подвода и отвода теплоносителя в трубчатый теплообменный элемент.

Теплообменник применяется в системах для нагрева и охлаждения жидкостей на стационарных и автономных объектах.

Известный теплообменник позволяет обеспечить эффективность теплообменного процесса для заданных условий эксплуатации и отличается простотой конструкции и удобством обслуживания в процессе эксплуатации.

Недостатками известного теплообменника являются:

- ограниченная область применения, обусловленная конструктивным исполнением, исключающим его использование в системах, в которых теплопередача осуществляется от корпуса непосредственно в объект обслуживания, а также в системах, в которых первичным теплоносителем является жидкость;

- отсутствие возможности регулирования процесса теплообмена с учетом изменения условий эксплуатации при неизменных параметрах на входе в теплообменник;

- сравнительно большая материалоемкость, обусловленная применением толстостенных деталей для изготовления корпуса.

В основу полезной модели поставлена задача создания такого теплообменника для систем нагрева и охлаждения, в котором за счет иного конструктивного исполнения корпуса, образующего камеру теплообмена, иного исполнения и размещения в корпусе трубчатого теплообменного элемента, а также оснащения стенок корпуса ребрами, обеспечиваются повышение эффективности теплообмена и расширение области применения в сочетании с простотой конструкци, невысокой стоимостью изготовления и эксплуатации.

Поставленная задача решается тем, что в теплообменнике, состоящем из корпуса коробчатой формы, образующего камеру теплообмена, и расположенного внутри корпуса трубчатого теплообменного элемента с закрепленными на нем ребрами, при этом корпус и трубчатый теплообменный элемент выполнены с возможностью раздельного подвода и отвода теплоносителей посредством распределительных коллекторов, согласно полезной модели корпус выполнен замкнутой коробчатой формы, на наружных поверхностях, по меньшей мере, двух противоположных боковых стенок корпуса закреплены ребра, расположенные с некоторым шагом друг относительно друга и перпендикулярно к поверхности этих стенок, а трубчатый теплообменный элемент размещен со смещением к одной из торцевых стенок корпуса.

Для повышения эффективности теплообмена и снижения его массы корпус и ребра выполнены из тонкого листового металла, не взаимодействующего с применяемым теплоносителем, например, алюминия.

Для упрощения конструкции и снижения стоимости изготовления при одновременном обеспечении необходимых прочностных качеств стенки корпуса соединены в короб посредством заклепочных соединений.

Для повышения надежности в процессе эксплуатации в зоне заклепочных соединений между прилегающими друг к другу поверхностями кромок стенок корпуса расположен герметик, например, силиконовый.

Для упрощения конструкции и снижения стоимости изготовления на одной из стенок корпуса выполнено, по меньшей мере, одно отверстие для подвода и отвода теплоносителя в камеру теплообмена.

Для повышения эффективности теплообмена количество и высота ребер, закрепленных на корпусе, выбираются из условия, при котором общая площадь их поверхности не менее общей площади поверхности стенок корпуса.

Для упрощения конструкции и снижения стоимости изготовления ребра выполнены в виде, например, П-образных профилей, закрепленных на упомянутых стенках корпуса через перемычку профиля посредством заклепочного соединения, включающего не менее трех заклепок по длине каждого ребра.

Для упрощения конструкции и снижения стоимости изготовления ребра закреплены на противоположных стенках корпуса симметрично друг относительно друга или с некоторым смещением, например, на ¹/₂ шага.

Для повышения надежности в процессе эксплуатации в зоне заклепочного соединения между прилегающими друг к другу поверхностями перемычек ребер и упомянутых стенок корпуса расположен герметик, например, силиконовый.

Для повышения эффективности теплообмена и снижения стоимости изготовления трубчатый теплообменный элемент выполнен, например, из медной трубки U-образной или S-образной формы с последовательно чередующимися участками сужения и расширения внутреннего канала.

Для повышения эффективности теплообмена и снижения стоимости изготовления ребра на трубчатом теплообменном элементе закреплены с заданным шагом перпендикулярно к внутренней поверхности стенок корпуса и выполнены, например, из плоских пластин.

Совокупность общих и отличительных существенных признаков заявляемой полезной модели позволяет реализовать в теплообменнике высокую эффективность теплообменного процесса для заданных условий эксплуатации, а также его регулирование с учетом изменения этих условий при неизменных параметрах на входе в теплообменник за счет изменения количества теплообменников в системе. Указанный результат

достигается в сочетании с небольшими габаритными размерами и массой теплообменника, простотой конструкции, невысокой стоимостью, а также удобством и технологичностью монтажа и обслуживания в процессе эксплуатации. Выполнение корпуса и ребер в виде плоских поверхностей, соединенных между собой внахлестку, позволяет в качестве заготовок использовать тонкостенный листовой металл, что существенно снижает трудоемкость изготовления и ремонта теплообменника.

В нижеприведенных примерах рассматривается конструктивное исполнение теплообменника и схем его применения в системах теплообмена. Теплообменник может использоваться для теплообмена между средами: жидкость-жидкость-жидкость, жидкость-жидкость-воздух и воздух-жидкость-воздух. В качестве жидкого теплоносителя в камере теплообмена могут применяться незамерзающие жидкости (пропиленгликоль, этиленгликоль) или масло, в трубчатом теплообменном элементе - горячая и холодная вода, незамерзающие жидкости (пропиленгликоль, этиленгликоль) или хладагенты для холодильной техники (кроме аммиака).

Сущность полезной модели поясняется представленными фигурами чертежа, где на фиг.1 - общий вид теплообменника; на фиг.2 - схема использования теплообменника в качестве источника тепла; на фиг.3 - схема использования теплообменника в качестве источника охлаждения.

Теплообменник (фиг.1) состоит из корпуса 1 замкнутой коробчатой формы, образованного соединением стенок 2, 3, 4 и 5 посредством заклепок 6. При этом верхняя стенка 4 образована нахлесточным соединением отбуртовок боковых стенок 2 и 3, а торцевые стенки 7 и 8 - аналогичным соединением отбуртовок четырех стенок 2, 3, 4 и 5. Поверхности в зонах соединения упомянутых стенок загерметизированы герметиком, например, силиконовым, или уплотнительными прокладками (не показаны). Внутренняя полость корпуса 1 является камерой теплообмена (не обозначена). На стенке 4 имеется отверстие 9 для подвода теплоносителя в камеру теплообмена и отвода из нее, которое в рабочем состоянии теплообменника герметизируется, например, винтовой пробкой (не показана).

На боковых стенках 2 и 3 перпендикулярно к их поверхностям с заданным шагом закреплены ребра 01, выполненные в виде П-образных профилей с перемычкой 11 и вертикальными поверхностями 12, которые вместе со стенками корпуса 1 образуют теплообменные поверхности. Крепление ребер 10 к стенкам 2 и 3 выполнено посредством не менее трех заклепок 13. Ребра 10 на противоположных стенках 2 и 3 расположены со смещением друг относительно друга на ¹/ ₂ шага. Между поверхностями перемычек 11 и прилегающими к ней поверхностями стенок 2 и 3 содержится силиконовый герметик (не

показан). Длина каждого ребра 10 соответствует длине стенки 2 и 3, а суммарная площадь вертикальных поверхностей 12 больше общей площади наружной поверхности корпуса 1.

Внутри корпуса 1 смонтирован трубчатый теплообменный элемент 14, выполненный из трубки U-образной формы с последовательно чередующимися участками сужения и расширения внутреннего канала. Указанный элемент 14 расположен со смещением к торцевой стенке 8 с образованием между ним и противоположной торцевой стенкой 7, а также боковыми стенками 2, 3, 4 и 5 свободных полостей. Концевые части 15 и 16 трубчатого теплообменного элемента 11 закреплены на торцевой стенке 8 и выполнены с возможностью их соединения с распределительными колекторами (не показаны). На трубчатом теплообменном элементе 14 жестко закреплены плоские ребра 17. Указанные ребра расположены с одинаковым шагом и перпендикулярно стенкам корпуса 1. Высота и ширина ребер 17 меньше соответствующих размеров корпуса 1.

В рассмотренном примере корпус 1 и ребра 10 выполнены из листового алюминия марки АМЦН-2 толщиной 0,5 мм. Габаритные размеры корпуса: без ребер - 550×280×15 мм, с ребрами - 550×280×75 мм. Высота П-образного профиля - 30 мм, ширина его перемычки - 12 мм. Количество ребер на каждой стенке - 13 штук. Площадь поверхности теплообмена: корпуса - 0,324 м², ребер - 0,437 м², общая - 0,761 м ². Трубчатый теплообменный элемент 14 и закрепленные на нем плоские ребра 17 выполнены из меди.

Теплообменник работает следующим образом.

Пример 1. Теплообменник используется в качестве источника тепла (фиг.2).

Исполнение теплообменника: трубчатый теплообменный элемент 14 выполнен из медной трубки U-образной формы с последовательно чередующимися участками сужения и расширения внутреннего канала и расположен со смещением к торцевой стенке 8 корпуса 1, его концевые части 15 и 16 закреплены на торцевой стенке 8 и выполнены с возможностью их соединения с распределительными колекторами.

В камеру теплообмена 9 корпуса 1 через отверстие 9 (фиг.1) заливается жидкий теплоноситель, например, пропиленгликоль, после чего отверстие герметизируется винтовой пробкой (не показана). Концевые части 15 и 16 трубчатого теплообменного элемента 14 подключаются к коллекторам источника тепловой энергии, например, системы циркуляции горячей воды централизованного отопления 18. Проходя через трубчатый теплообменный элемент 14, горячая вода в процессе теплового взаимодействия с его стенками и плоскими ребрами 17 передает часть тепловой энергии теплоносителю в камере теплообмена, а через него - теплообменной поверхности, образованной стенками корпуса 1 и ребрами 10. Высокая эффективность теплообмена в первичном контуре теплообмена достигается за счет выполнения трубчатого теплообменного элемента 14 с

последовательно чередующимися участками сужения и расширения внутреннего канала, что придает потоку теплоносителя турбулентный характер, и увеличения его площади теплообмена посредством плоских ребер 17, а во вторичном контуре - за счет увеличения более чем в два раза поверхности теплообмена корпуса 1 с закрепленными на нем ребрами 10. Отработанный теплоноситель выводится из трубчатого теплообменного элемента 14 через его концевую часть 16 и циркуляционным насосом 20 возвращается в в систему центрального отопления 18. Для повышения эффективности теплообмена, например, в системах вентиляции или кондиционирования, может использоваться принудительный наружный обдув теплообменника посредством вентилятора (не показан). Указанная схема позволяет использовать теплообменник для теплообмена в небольших помещениях, в локальных зонах помещений или в системах вентиляции и кондиционирования.

Пример 2. Теплообменник используется в качестве источника охлаждения (фиг.3).

Исполнение теплообменника: трубчатый теплообменный элемент 14 выполнен из медной трубки S-образной формы с последовательно чередующимися участками сужения и расширения внутреннего канала (не показано) и расположен со смещением к одной торцевой стенке корпуса 1, его концевые части 15 и 16 закреплены на противоположных торцевых стенках (не обозначены) корпуса 1 и выполнены с возможностью их соединения с распределительными колекторами.

Теплообменники размещаются в камерах 21, например, в витринах для скоропортящихся продуктов холодильных установок 22. В камеры теплообмена каждого теплообменника через отверстие 9 (фиг.1) заливается жидкий теплоноситель, например, пропиленгликоль, после чего отверстия герметизируется винтовыми пробками (не показаны). Для регулирования процесса теплообмена с учетом изменения условий эксплуатации при неизменных параметрах на входе в теплообменник в каждой камере 21 монтируются локальные системы охлаждения, включающие теплообменник, циркулярный насос 23, датчик температуры 24 и вентилятор 25. Локальные системы охлаждения через концевые части 15 и 16 трубчатого теплообменного элемента 14 подключаются к системе циркуляции хладагента, которая содержит расширительный бачок 26 и циркулярный насос 27. Процесс теплообмена между теплоносителями осуществляется аналогично рассмотренному выше примеру. Отработанный хладагент выводится из трубчатых теплообменных элементов 14 в систему циркуляции хладагента, возвращаясь в холодильную установку 22. Схема подключения теплообменника может дополняться устройствами для защиты от замерзания.

Предлагаемая конструкция теплообменника является универсальной, т.к. может использоваться для нагрева и охлаждения в системах отопления, вентиляции и

кондиционирования воздуха в жилых и производственных помещениях, а также в холодильных установках с камерным и локальным охлаждением. Теплообменник обладает высокой эффективностью теплообмена, а также возможностью регулирования процесса теплообмена с учетом изменения условий эксплуатации при неизменных параметрах на входе в теплообменник. При этом теплообменник отличается простотой конструкции, имеет небольшие габаритные размеры и невысокую стоимость изготовления в сочетании с удобством и технологичностью монтажа и обслуживания в процессе эксплуатации.

1. Теплообменник для систем нагрева и охлаждения, состоящий из корпуса коробчатой формы, образующего камеру теплообмена, и расположенного внутри корпуса трубчатого теплообменного элемента с закрепленными на нем ребрами, при этом корпус и трубчатый теплообменный элемент выполнены с возможностью раздельного подвода и отвода теплоносителей посредством распределительных коллекторов, отличающийся тем, что корпус выполнен замкнутой коробчатой формы, на наружных поверхностях, по меньшей мере, двух противоположных боковых стенок корпуса закреплены ребра, расположенные с некоторым шагом относительно друг друга и перпендикулярно к поверхности этих стенок, а трубчатый теплообменный элемент размещен со смещением к одной из торцевых стенок корпуса.

2. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что корпус и ребра выполнены из тонкого листового металла, не взаимодействующего с применяемым теплоносителем, например, алюминия.

3. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что стенки корпуса соединены в короб посредством заклепочных соединений.

4. Теплообменник по п.3, отличающийся тем, что в зоне заклепочных соединений между прилегающими друг к другу поверхностями кромок стенок корпуса расположен герметик, например, силиконовый.

5. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что на одной из стенок корпуса выполнено, по меньшей мере, одно отверстие для подвода и отвода теплоносителя в камеру теплообмена.

6. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что количество и высота ребер, закрепленных на корпусе, выбираются из условия, при котором общая площадь их поверхности не менее общей площади поверхности стенок корпуса.

7. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что ребра закреплены на противоположных стенках корпуса симметрично относительно друг друга или с некоторым смещением, например, на ¹/₂ шага.

8. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что ребра выполнены в виде, например, П-образных профилей, закрепленных на упомянутых стенках корпуса через перемычку профиля посредством заклепочного соединения, включающего не менее трех заклепок по длине каждого ребра.

9. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что в зоне заклепочного соединения между прилегающими друг к другу поверхностями перемычек ребер и упомянутых стенок корпуса расположен герметик, например, силиконовый.

10. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что трубчатый теплообменный элемент выполнен, например, из медной трубки U-образной или S-образной формы с последовательно чередующимися участками сужения и расширения внутреннего канала.

11. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что ребра на трубчатом теплообменном элементе закреплены с заданным шагом перпендикулярно к внутренней поверхности стенок корпуса и выполнены, например, из плоских пластин.