Трубчастий теплообмінник

Реферат: Трубчастий теплообмінник містить утворені трубами передню, задню і бічні стінки, труби бічних стінок у верхній частині по радіусу переходять у склепіння і з'єднують між собою нижні і верхній колектори. Бічні стінки, склепіння, верхній і нижні колектори утворені з'єднаними між собою секціями, кожна з яких містить одну або більше пар бічних труб і ділянки верхнього і нижніх колекторів. У верхньому та нижніх колекторах закріплені заглушки, що мають у верхній частині щонайменше один отвір для відводу повітря. Заглушки або встановлені у нижніх колекторах, або у верхньому колекторі кожної секції, або рознесені на протилежні кінці однієї із суміжних секцій - в нижні колектори з одного боку й у верхній колектор з протилежного, у залежності від місця встановлення секції у теплообміннику. UA 93320 U (54) ТРУБЧАСТИЙ ТЕПЛООБМІННИК UA 93320 U UA 93320 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до комунальної і виробничої теплотехніки, а саме до трубчастих теплообмінників, призначених насамперед для встановлення у котли, які використовуються для систем водяного опалення та гарячого водопостачання житлових, адміністративних і промислових будівель. Корисна модель може бути також використана у хімічній, нафтопереробній, харчовій й інших галузях промисловості. Відомий аналог є трубчастий теплообмінник опалювального котла, що містить передню, задню, бічні стінки і склепіння, утворені трубами, з'єднаними між собою колекторами. Передня стінка утворена горизонтальними трубами, задня стінка – вертикальними. Одна з бічних стінок утворена вертикальними трубами, а труби іншої бічної стінки переходять у горизонтальні труби верхнього ярусу склепіння, яке виконане двох'ярусним з горизонтальних труб. Труби нижнього ярусу склепіння є продовженням труб задньої стінки, а верхнього ярусу – одної з бічних стінок 5 (SU 1691675 A1, МПК F24H 1/00, F22B 1/02, оп. 15.11.1991). Основними недоліками аналога є різка зміна напрямку і швидкості потоку при переході з горизонтальних у вертикальні труби, що призводить до втрат напору і втрат потужності на їх подолання, а також переважно прямоточна схема руху середовищ, що беруть участь в теплообміні, при якій обидва середовища рухаються в одному напрямку. В результаті зменшується ефективність теплообміну. Найбільш близьким аналогом до корисної моделі є трубчастий теплообмінник, що містить передню, задню і бічні стінки і склепіння, утворені трубами, з'єднаними між собою колекторами. Передня і задня стінки утворені прямими вертикальними трубами. Бічні стінки утворені трубами з вертикальними прямими нижніми частинами, які по радіусу плавно переходять у склепіння. Бічні труби з'єднують між собою верхній і два нижні колектори. Передні труби з'єднують між собою два верхні передні колектори-плеча, приєднані з обох боків до верхнього колектора, і середній колектор, причому останній з'єднаний з двома нижніми колекторами за допомогою перепускних труб. Задні труби з'єднують між собою два верхні задні колектори-плеча, приєднані з обох боків до верхнього колектора, і нижній задній колектор, причому останній з'єднаний з нижніми колекторами. Між бічними трубами і між трубами задньої стінки в нижній їх частині встановлені екрани. Крім цього, у верхньому колекторі перед задньою стінкою встановлена перегородка для розділення потоків холодної і гарячої води. А у передній частині нижніх колекторів встановлені клапани для видалення відкладень у теплообміннику (UA 89324 U, МПК (2014.01) F28D 1/04, (2006.01) F28D 7/00, оп. 10.04.2014). У найближчого аналога досягається збільшення променесприймальної поверхні труб за рахунок збільшення їх кількості навколо топки і наявності екранів. Однак недоліком найближчого аналога є те, що схема включення поверхні нагріву більше ніж на 90 % є прямоточною (при якій обидва середовища, що беруть участь в теплообміні, рухаються в одному напрямку) і тільки решта поверхні нагріву включена по схемі протиточно (при якій обидва середовища, що беруть участь в теплообміні, рухаються паралельно назустріч один одному), що знижує ефективність використання теплової потужності первісного джерела і знижує теплову ефективність теплообмінника. Недоліком вказаного аналога є також велике розгалуження потоку теплосприймаючого середовища (води) в теплообміннику, при якому швидкість руху цього середовища незначна, що визиває появу на внутрішніх поверхнях труб бульбашок газів, пари та відкладень. В основу корисної моделі поставлена задача вдосконалення трубчастого теплообмінника, в якому шляхом конструктивних змін забезпечується, по-перше, організація руху теплосприймаючого середовища (води) за паралельно змішаною схемою відносно руху нагрівального потоку продуктів згорання палива, при якій поверхні нагріву з протитечією збільшуються не менш ніж до 50 %, що дозволяє збільшити температурний напір на конвективних поверхнях нагріву теплообмінника і зменшити виникнення бульбашок газів, пари та відкладень на внутрішніх стінках труб, по-друге, збільшення поверхні нагріву бічних стінок теплообмінника, що дозволяє підвищити ступінь екранування (відношення площі сумарної променесприймальної поверхні до повної площі). В результаті досягається збільшення ефективності використання отриманої теплової енергії з палива в топці теплообмінника, зменшення втрат потужності, поліпшення умов теплообміну, економія енергоресурсів. Поставлена задача вирішується тим, що у трубчастому теплообміннику, що містить утворені трубами передню, задню і бічні стінки, труби бічних стінок у верхній частині по радіусу переходять у склепіння і з'єднують між собою нижні і верхній колектори, труби, що утворюють передню стінку, з'єднують між собою середній колектор і два передніх верхніх колектори-плеча, приєднаних з обох боків до верхнього колектора, а труби, що утворюють задню стінку, з'єднують між собою задній нижній колектор і два задніх верхніх колектори-плеча, приєднаних до верхнього колектора, задній нижній колектор з'єднаний з нижніми колекторами, а останні – із 1 UA 93320 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 середнім колектором, між трубами бічних стінок до переходу їх у склепіння встановлені екрани, згідно з корисною моделлю, бічні стінки, склепіння, верхній і нижні колектори утворені з'єднаними між собою секціями, кожна з яких містить одну або більше пар бічних труб і ділянки верхнього і нижніх колекторів, при цьому у верхньому та нижніх колекторах закріплені заглушки, що мають у верхній частині щонайменше один отвір для відводу повітря, причому заглушки або встановлені у нижніх колекторах, або у верхньому колекторі кожної секції, або рознесені на протилежні кінці однієї із суміжних секцій – в нижні колектори з одного боку й у верхній колектор з протилежного, у залежності від місця встановлення секції у теплообміннику. Згідно з корисною моделлю із зовнішньої сторони прямих частин труб секцій встановлені ребра. Згідно з корисною моделлю, на передній, задній частині нижніх і верхнього колекторів встановлені фланці з отворами із можливістю їх заглушення глухими фланцями. Між сукупністю суттєвих ознак корисної моделі, що заявляється, і технічним результатом, що досягається, існує наступний причинно-наслідковий зв'язок. Конструктивні зміни, а саме: - утворення бічних стінок, склепіння, верхнього і нижнього колекторів з'єднаними між собою секціями, кожна з яких містить одну або більше пар бічних труб і ділянки верхнього і нижніх колекторів; - закріплення у верхньому та нижніх колекторах заглушок, що мають у верхній частині щонайменше один отвір для відводу повітря; - встановлення заглушок або у нижніх колекторах або у верхньому колекторі кожної секції, або рознесення на протилежні кінці однієї із суміжних секцій – в нижні колектори з одного боку й у верхній колектор з протилежного, у залежності від місця встановлення секції у теплообміннику; у сукупності з відомими ознаками корисної моделі, що заявляється, забезпечує можливість створення паралельно-змішаної схеми руху теплосприймаючого середовища (води) відносно руху нагрівального потоку продуктів згорання палива, при якому щонайменше 50 % поверхні нагріву теплообмінника працює протиточно, тобто середовище, яке віддає теплову енергію, рухається назустріч середовищу, яке сприймає цю теплову енергію, що створює найбільш можливий температурний напір (різниця температур середовищ, що беруть участь в теплообміні). А чим більша різниця температур зазначених середовищ, тим інтенсивніше проходить теплообмін, внаслідок того, що у конвективних поверхнях нагріву теплообмін здійснюється конвекцією, теплопровідністю і випромінюванням продуктів згорання і основними факторами, які визначають тепловий потік у конвективних поверхнях нагріву, є коефіцієнт теплопередачі і температурний напір. Окрім цього, швидкість руху теплоносія через теплообмінник, при рівному часі проходження теплоносія через теплообмінник, значно більша у порівнянні з прототипом, що зумовлює краще промивання внутрішніх стінок труб від газових і парових бульбашок та відкладень, що також поліпшує передачу тепла через стінки труб до теплосприймаючого середовища (води). Таким чином, виконання корисної моделі забезпечує збільшення температурного напору на конвективних поверхнях нагріву теплообмінника і зменшення виникнення бульбашок газів, пари та відкладень на внутрішніх стінках труб, збільшення ефективності використання отриманої теплової енергії з палива в топці теплообмінника, зменшення втрат потужності, поліпшення умов теплообміну, економії енергоресурсів за рахунок створення руху теплосприймаючого середовища за паралельно-змішаною схемою відносно руху нагрівального потоку продуктів згорання палива, підвищення швидкості теплосприймаючого середовища, що забезпечує підвищення ефективності трубчастого теплообмінника. Крім цього забезпечується підвищення технологічності, строку служби трубчастого теплообмінника. Крім цього, встановлення ребер із зовнішньої сторони прямих частин труб секцій забезпечує збільшення поверхні нагріву конвективного теплообміну, тобто теплосприймальної площі теплообмінника, а також температурного напору на ділянках теплообмінника з протитечією. Наявність ребер забезпечує високий ступінь екранування теплообмінника (відношення площі сумарної променесприймальної поверхні до повної площі). А встановлення фланців з отворами із можливістю їх заглушення глухими фланцями на передній, задній частинах нижніх і верхнього колекторів у порівнянні із технічно складними у виготовленні клапанами для промивки теплообмінника, використовуваними у прототипі, сприяє спрощенню конструкції. Корисна модель, що заявляється, пояснюється кресленнями, де на фіг. 1 зображений вид зліва трубчастого теплообмінника при надходженні холодної води зверху і виходу гарячої води зверху; на фіг. 2 - вид зліва теплообмінника при надходженні холодної води знизу, а виходу 2 UA 93320 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 гарячої води зверху, а також надходженні холодної води знизу і виходу гарячої води знизу; на фіг. 3 - вид спереду теплообмінника при надходженні холодної води зверху і виходу гарячої води зверху, а також надходженні холодної води знизу і виходу гарячої води знизу (вид А на фіг. 1, 2); на фіг. 4 - вид спереду теплообмінника при надходженні холодної води знизу, а виходу гарячої води зверху (вид А на фіг. 2); на фіг. 5 - розріз Б-Б на фіг. 3; на фіг. 6 - розріз Б-Б на фіг. 4; на фіг. 7 - гідравлічна схема надходження холодної води знизу і виходу гарячої води знизу; на фіг. 8 - вид спереду передньої стінки теплообмінника; на фіг. 9 - вид зліва передньої стінки теплообмінника; на фіг. 10 - вид спереду секції теплообмінника; на фіг. 11 - вид зверху секції теплообмінника; на фіг. 12 - вид спереду задньої стінки теплообмінника при надходженні холодної води зверху і виходу гарячої води зверху; на фіг. 13 - вид спереду задньої стінки теплообмінника при надходженні холодної води знизу, а виходу гарячої води зверху; на фіг. 14 вид спереду задньої стінки теплообмінника при надходженні холодної води знизу і виходу гарячої води знизу; на фіг. 15 - вид зліва задньої стінки теплообмінника при надходженні холодної води зверху і виходу гарячої води зверху; на фіг. 16 - вид зліва задньої стінки теплообмінника при надходженні холодної води знизу, а виходу гарячої води зверху, а також надходженні холодної води знизу і виходу гарячої води знизу; на фіг. 17 - схема роботи теплообмінника із паралельно-змішаними потоками середовищ. На кресленнях позначено: I – передня стінка; II – секції A, B, C, D, E; III – задня стінка. Трубчастий теплообмінник (фіг. 1, 2) у найкращому варіанті здійснення корисної моделі, що заявляється, який однак не є єдино можливим, являє собою зварену герметичним швом із сталевих труб конструкцію і містить передню стінку I, задню стінку III і п'ять секцій A, B, C, D, Е (II), кожна з яких містить одну або більше пар труб 1 (переважно три пари) і ділянки верхнього колектора 2 і нижніх колекторів 3, які з'єднуючись між собою, з'єднують секції. Труби 1 секцій II у верхній частині по радіусу переходять у склепіння і з'єднують між собою нижні колектори 2 і верхній колектор 3 (фіг. 10, 11). Труби 4 (крайні) і 5 (середні), що утворюють передню стінку, з'єднують між собою середній колектор 6 і два передні верхні колектори-плечі 7, приєднані з обох боків до патрубка 8. До кінців середнього колектора 6 приєднані передні нижні труби 9, до яких спереду також приєднані нижні патрубки 10. У передні частини патрубків 8, 10 закріплені, наприклад приварені, фланці 11 з отворами. На деяких фланцях 11 із отворами при необхідності закріплені із можливістю знімання глухі фланці, що закривають наглухо отвори патрубків 8, 10, для забезпечення промивки колекторів і очищення їх від відкладень (фіг. 8, 9). Труби 12, що утворюють задню стінку, з'єднують між собою задній нижній колектор 13 і два задні верхні колектори-плеча 14, приєднані з обох боків до патрубка 15. При надходженні холодної води зверху і виходу гарячої води зверху до кінців заднього нижнього колектора 13 приварені нижні патрубки 16, а до патрубка 15 прикріплений фланець 11. При надходженні холодної води знизу, а виходу гарячої води зверху два задні верхні колектори-плеча 14 приєднані з обох боків до патрубка 17, до кінців заднього нижнього колектора 13 приварені нижні патрубки 18, а у центральній частині заднього нижнього колектора 13 приварений центральний нижній патрубок 19 із фланцем 11. При надходженні холодної води знизу і виходу гарячої води знизу два задні верхні колектори-плеча 14 приєднані з обох боків до патрубка 17, а до кінців заднього нижнього колектора 13 приварені нижні патрубки 18 із фланцями 11 (фіг. 1216). Задній нижній колектор 13 з'єднаний з нижніми колекторами 2, а останні – із середнім колектором 6 через передні нижні труби 9. Між трубами 1 до переходу їх у склепіння по центру в площині бічних стінок встановлені екрани 20 на всій прямолінійній ділянці та по три ребра 21 із зовнішньої сторони труб на таку ж висоту, що і екрани 20 (фіг. 11). Торці колекторів 7, 14 задньої та передньої стінок, а також нижніх патрубків 16 задньої стінки, закриваються глухими фланцями. Торці нижніх патрубків 10 передньої стінки закриваються через прокладки, що герметизують, глухими фланцями за допомогою болтів та гайок або приварними глухими фланцями. Відношення діаметрів труб секцій теплообмінника до відстаней між їх центрами вибрано в такий спосіб, що конструкція є технологічною у виготовленні, при цьому забезпечує необхідну площу теплосприймання прийнятний коефіцієнт ослаблення променів триатомними газами і частинками золи палива. У ділянки верхнього і нижніх колекторів секцій вмонтовані заглушки 22, що мають у верхній частині отвір для відводу повітря, причому у залежності від місця встановлення секції у теплообміннику зазначені заглушки або встановлені у нижніх колекторах 2, або у верхньому колекторі 3 кожної секції, або рознесені на протилежні кінці однієї із суміжних секцій – в нижні 3 UA 93320 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 колектори 2 з одного боку й у верхній колектор 3 з протилежного. Секції А, Б, С і D, Е зварені між собою та з передньою і задньою стінками в такий спосіб, щоб рух теплосприймаючого середовища відповідав паралельно змішаній схемі руху теплосприймаючого середовища відносно руху нагрівального потоку продуктів згорання палива (фіг. 17). Корисна модель працює наступним чином. При надходженні холодної води зверху і виходу гарячої води зверху вода із системи опалення або системи водонагрівання надходить у теплообмінник через верхній патрубок 15 задньої стінки (ΙΙΙ), розподіляється через колектори-плечі 14 задньої стінки по трубах 12 та надходить до заднього нижнього колектора 13. Потім вода із колектора 13 находить по нижніх патрубках 16 у ділянки нижніх колекторів 3 секції Е, і по трубах 1 підіймається у верхній колектор 2. Із верхнього колектора 2 секції Е через ділянку колектора 2 секції D вода по трубах 1 опускається у ділянки нижніх колекторів 3 секції D, які з'єднані з аналогічними колекторами секції C, і по трубах 1 цієї секції знов піднімається вверх, потім в наступній секції B по трубах 1 цієї секції знов опускається вниз. Після цього вода проходить до наступної секції А, піднімаючись у колектор 2 по трубах 1 цієї секції, і одночасно через, патрубки 10, труби 9, середній колектор 6, труби 4, 5, колектори-плечі 7 передньої стінки (Ι) потрапляє у верхній патрубок 8 і надходить в систему опалення, або гарячого водопостачання (фіг. 5). При надходженні холодної води знизу, а виходу гарячої води зверху вода із системи опалення або системи водонагрівання надходить у теплообмінник через нижній центральний патрубок 19 задньої стінки (ΙΙΙ) та надходить до заднього нижнього колектора 13, по нижніх патрубках 16 поступає у ділянки нижніх колекторів 3 секції Е, після чого вода рухається по теплообміннику так само, як і у випадку надходження холодної води зверху і виходу гарячої води зверху (фіг. 6). При надходженні холодної води знизу і виходу гарячої води знизу вода із системи опалення або системи водонагрівання надходить у теплообмінник через нижній патрубок 16 (лівий) задньої стінки (ΙΙΙ) та надходить до середини заднього нижнього колектора 13. Потім вода із колектора 13 надходить по трубах 12 цієї ж стінки у верхній колектор-плече 14 (лівий). Далі через верхній колектор-плече 14 (правий) цієї ж стінки потрапляє у труби 12 і опускається вниз у нижній патрубок 16 (правий). Із нього потрапляє у нижній колектор 3 секції Е та по трубах 1 бічної стінки, верхній колектор 2 підіймається вверх та опускається вниз у нижній колектор 3, після чого потрапляє у ділянку нижнього колектора 3 секції D та по трубах 1 переходить у розташовану з іншого боку ділянку нижнього колектора 3 цієї ж секції. Таким самим чином вода проходить через секції С, В та А. Із секції А вода потрапляє у нижній патрубок 10 (лівий) передньої стінки (І). Далі по крайніх трубах 4 вода підіймається вверх у колектори-плечі 7. З них по середніх трубах 5 опускається у середній колектор 6 і з нього опускається далі у нижній патрубок 10 (правий), з якого вже поступає в систему опалення, або гарячого водопостачання (фіг. 7). У нижній частині корисної моделі облаштовується шарова або камерна топка. Передача теплової енергії від палива, що горить в топці, до теплосприймаючого середовища (води) через стінки труб відбувається завдяки конвекції, теплопровідності і випромінюванню продуктів згорання. Передача тепла через внутрішні поверхні нагріву в топці теплообмінника відбувається в основному випромінюванням. Гази, що утворюються при згоранні палива в топці, піднімаються вверх, проходять у верхній частині теплообмінника між трубами секцій і опускаються вниз у димові борови котла, омиваючи зовнішні поверхні нагріву бічних стінок, створених трубами і екранами секцій. Таким чином корисна модель дозволяє створити у теплообміннику рух теплосприймаючого середовища за паралельно-змішаною схемою відносно руху нагрівального потоку продуктів згорання палива, підвищити швидкість теплосприймаючого середовища, забезпечити високий ступінь екранування теплообмінника, досягти при однакових з прототипом геометричних розмірах кращі показники використання отриманої при спалювані палива теплової енергії. Корисна модель є простою у виготовленні, а наведені відомості підтверджують можливість його промислового здійснення. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 55 60 1. Трубчастий теплообмінник, що містить утворені трубами передню, задню і бічні стінки, труби бічних стінок у верхній частині по радіусу переходять у склепіння і з'єднують між собою нижні і верхній колектори, труби, що утворюють передню стінку, з'єднують між собою середній колектор і два передніх верхніх колектори-плеча, приєднаних з обох боків до верхнього колектора, а труби, що утворюють задню стінку, з'єднують між собою задній нижній колектор і два задніх 4 UA 93320 U 5 10 15 верхніх колектори-плеча, приєднаних до верхнього колектора, задній нижній колектор з'єднаний з нижніми колекторами, а останні - із середнім колектором, між трубами бічних стінок до переходу їх у склепіння встановлені екрани, який відрізняється тим, що бічні стінки, склепіння, верхній і нижні колектори утворені з'єднаними між собою секціями, кожна з яких містить одну або більше пар бічних труб і ділянки верхнього і нижніх колекторів, при цьому у верхньому та нижніх колекторах закріплені заглушки, що мають у верхній частині щонайменше один отвір для відводу повітря, причому заглушки або встановлені у нижніх колекторах, або у верхньому колекторі кожної секції, або рознесені на протилежні кінці однієї із суміжних секцій - в нижні колектори з одного боку й у верхній колектор з протилежного, у залежності від місця встановлення секції у теплообміннику. 2. Теплообмінник за п. 1, який відрізняється тим, що із зовнішньої сторони прямих частин труб секцій встановлені ребра. 3. Теплообмінник за п. 1 або 2, який відрізняється тим, що на передній, задній частині нижніх і верхнього колекторів встановлені фланці з отворами із можливістю їх заглушення глухими фланцями. 5 UA 93320 U 6 UA 93320 U 7 UA 93320 U 8 UA 93320 U 9 UA 93320 U Комп’ютерна верстка М. Ломалова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 10