Теплообмінник

Пристрій відноситься до холодильної техніки та компресорних установок стисненного повітря. Пристрій може використовуватись на об’єктах АПК, харчової та переробної промисловості, а також на підприємствах різних галузей де споживається централізовано стиснене повітря. Відомі пристої, у яких тепло низького потенціалу служить джерелом для підігріву води або харчових рідин: У A.C. 1746185 кл.F28D7/02; F28D9/00 від 07.07.92р. Бюлетень №25 "Теплообмінник" завдяки інтенсифікації теплообміну у міжтрубному просторі металоємкість виробу зменшилась майже вдвічі. У цьому апараті циліндричної форми внутрі знаходяться багаторядні спіральні змійовики, яки через прокладки розміщені коаксіальними шарами. Із загального колектору гарячий або холодний газ подається одразу у всі змійовики, де зустрічаючи другий газ, який протитоком рухається у міжзмійовиковому просторі під час теплообміну охолоджується або нагрівається. Внаслідок високої швидкості газу у міжзмійовиковому просторі досягнута висока ефективність теплопередачі і зменшена металоємкість апарату. Відомо, що тепловіддача від любого газу невисока, тому для досягнення низької металоємкості краще збільшувати поверхню за рахунок оребрення там, де тепловіддача недостатня, а не за рахунок підвищення швидкості руху газу, що призводить до додаткових енерговитрат. "Змійовиковий теплообмінник" по А.С. 1312360 кл. F28D7/02 від 23.05.87р. Бюлетень №19 у якому гарячий газ із високим тиском нагнітається у пучок труб, а знизу протитоком газу рухається охолоджуюча рідина, яка омиває зовнішню поверхню змійовиків. Пристрій призначений для охолодження газів від компресорів високого тиску. Особливість його полягає у тому, що високий тиск сприймається тільки трубами змійовиків, а охоложуюче середовище рухається у тонкостінному корпусі. Основне призначення пристрою це підвищення експлуатаційної надійності, а ефективність теплопередачі займає друге місце. У цьому апараті внаслідок низької швидкості стиснених газів і рідини, що охолоджується ефективність теплопередач низька. Змійовики товстостінних труб значно збільшують питому матеріалоємкість пристрою. "Теплообмінник" по АС. 1099686 кл. F28D7/02 від 23.01.87р. Бюлетень №3, змійовикового типу із прямими ділянками труб на вході і виході гарячої пари. Рідина, що підігрівається знизу протитоком пари рухається поміж зовнішнім корпусом і витискувачем до спеціальної воронкоподібної перегородки. Між обичайкою перегородки і прямою ділянкою труби утворюється щілинний простір крізь який з великою швидкістю рухається рідина. Внаслідок цього зовнішня поверхня прямої ділянки труби інтенсивно охолоджується. Отже інтенсивне охолодження локальної ділянки труби із гарячою парою запобігає вскипіння рідини, що підігрівається. Більш ефективно і конструктивно простіше було б використати конструкцію типу "труба в трубі", де ефект охолодження пари проявляється найбільш успішно, "Вертикальний теплообмінник" по А.С. 1312360 кл. F28D7/00; F28B1/00 від 30.10.91р. Бюлетень №40 має теплообмінні елементи труба в трубі, де вода, що підігрівається рухається у щілинному каналі, а пара всередину труб. Завдяки спеціальним трубним ґратам і перегородкам вода рухається у двох напрямках, а пара всередині труб після часткової конденсації омиває зовнішню поверхню труб. Позитивним є те, що завдяки зниженню руху швидкості пари в трубах вдвічі досягнуто підвищення теплопродуктивності та економічності пристрою. Вказані досягнення здійснюються за умов фазового переходу речовини тобто завдяки відведенню тепла конденсації. Тому таке тепло не можна відносити до викидного, а високе досягнення теплопродуктивності одержується за рахунок додаткової кількості конденсуємої пари при зменшеній її швидкості. Апарат володіє високою металоємкістю. У "теплообміннику" по А.С. 1557444 кл. F28D7/00; F28B1/00 від 15.0490р. Бюлетень №14 другорядні енергоресурси використовуються у теплообмінних елементах типу "труба в трубі", які розділені горизонтальною перегородкою на дві камери: конденсації і доконденсації. Обидві порожнини з’єднуються симетрично зовнішнім трубопроводом. Речовина, що нагрівається рухається у щілинному каналі зверху вниз, а гаряча пара поступає спочатку в камеру конденсації, де конденсується на зовнішній поверхні труб, потім залишки пари проходять через зовнішній трубопровід у камеру доконденсації, де повністю конденсуються. У цьому пристрої окрім використання теплового потенціалу тепла конденсації пари приймає також участь у підігріві речовини гарячий конденсат, який протитоком рідині рухається знизу у внутрішніх трубах. У даному присторї повністю реалізуються теплові потенціали другорядних теплоенергоресурсів. Слід відзначити, що другорядні енергоресурси, які використовуються у пристрої це не низькопотенційні викидні енергоресурси, а достатньо дорогі тому, що температурний рівень пари вище 100°С. Окрім цього тепло конденсації - тепло фазового переходу є основним, а не викидним тепловим потенціалом. Недоліками цього пристрою, крім складної металоємкої конструкції є те, що внаслідок високої температури пари, яка омиває зовнішню поверхню труб, згодом у щілинному каналі почнеться відкладення осадків, чим погіршуть умови теплопередачі. Рахуємо недоцільним використання теплового потенціалу конденсатора тому, що його температура значно нижча температури пари, яка конденсується. Також можлива ситуація, при якій конденсат, замість підігріву, буде відбирати тепло від рідини, яка рухається у щілинному каналі. Конструкція апарату не ремонтопридатна. Найбільш близьким до запропонованого пристрою за технічною суттю і результату, що досягається є прототип по А.С. 579506 кл. F25B29/00 від 05.11.77р. Бюлетень №41 «Теплонасосная установка для пастеризации и охлаждения молока». У каскадній установці тепло перегрітої пари холодоагенту каскаду гілки нижнього каскаду потрапляє у охолоджувач, який має тепловий контакт із конденсатором гілки верхнього каскаду. Обидва апарати розміщені у загальному баці з гарячою водою. Після охолодження пари в охолоджувачі вона поступає до конденсаторної частини конденсатора-випарника, що знаходиться в окремому балі із теплою водою, яка підігрівається за рахунок частини тепла конденсації після низької ступені. Таким чином, у верхньому баці з гарячою водою знаходиться охолоджувач низької ступені і конденсатор верхньої ступені, а у нижньому баці з теплою водою - конденсатор-випарник. Як відмічається у прототипі температура гарячої води знаходиться в межах 85-95°С. З точки зору реалізації холодильного циклу і його безпечної експлуатації виникає серйозний сумнів тому, що конденсація холодоагенту при температурі 85-95°С у конденсаторі маловірогідна. Відомо, що в холодильній техніці на об’єктах АПК не існує доступного холодоагенту і обладнання, яке б витримувало тиск конденсації за вказаним температурним рівнем. Сама ідея утилізації теплових джерел на двох температурних рівнях у окремих вузлах системи оригінальна. Внаслідок цього найбільш висока температура води, що підігрівається має місце у зоні охолодження перегрітої пари. Завдяки високому температурному рівню перегріта пара потраплятиме і до конденсатора - випарника, у якому вода підігрівається за рахунок доохолодження перегрітої пари, а не за рахунок тепла конденсації, тому що усе тепло конденсації поглинається холодоагентом, що кипить у випарниковій частині апарата. Розглянуті аналоги і прототип підтверджують існування широкої гами пристроїв для утилізації низькопотенційних теплових джерел для підігріву води та інших речовин. Вважається некоректним тепло від водяної пари при температурі, що значно перевищує 100°С та її конденсації називати викидним теплом низького потенціалу. Теплові джерела згаданого температурного рівня можуть успішно використовуватись у основних технологічних процесах. Технічна задача, на вирішення якої спрямований винахід полягає у тому, щоб досягти максимальної ефективності утилізації теплових джерел низького потенціалу шляхом інтенсифікації теплообміну між обома середовищами, що забезпечить економію енергоресурсів на підігрів води традиційними шляхами. На відміну від розглянутих аналогів і прототипу запропонований пристрій володіє спрощеною конструкцією, технологічністю його виготовлення, високою надійністю у роботі та зменшеними витратами на експлуатацію. Суть винаходу у порівнянні з відомими теплообмінниками полягає у тому, що при достатньо простій конструкції і малій питомій металоємності двохсекційна конструкція змійовиків забезпечує послідовно двох стадійний підігрів води і охолодження перегрітої пари холодоагенту або стисненого повітря (далі пари або повітря) з максимальною ефективністю теплообміну між обома середовищами. Завдяки співвідношенню площі верхньої секції змійовика, яка складає 25-30% від загальної, пара або повітря після цієї секції потрапляє до нижньої секції змійовика із значним охолодженням, що запобігає відкладення водяного каменя на внутрішніх стінках труб внутрішнього змійовика. Невелика площа перерізу щілинного каналу, який утворюється між змійовиками, забезпечує високу ефективність тепловіддачі від пари або повітря завдяки їх високій швидкості руху. Двохсекційний змійовик у запропонованому вигляді дозволяє використовувати тепловий потенціал пари або повітря з максимальною ефективністю внаслідок послідовного поглинання тепла водою спочатку у внутрішньому змійовику, а потім - у міжзмійовиковому просторі за рахунок контакту із зовнішньою поверхнею стінок змійовиків обох секцій. Конструктивна компоновка змійовиків на роз'ємному днищі апарата дає можливість оперативно виконувати ремонтно - профілактичні роботи і а звільнення поверхні змійовиків від нашарувань всіляких забруднень. Технічний результат від реалізації винаходу очікується у тому, що використання теплообмінника у холодильних машинах розвантажує конденсатор від шкідливого тепла перегрітої пари, яке повністю поглинається водою, що підігрівається. Внаслідок цього, теплопродуктивність конденсатора підвищується майже на 30%. У конденсаторах водяного охолодження відсутність гарячої перегрітої пари у між трубному просторі виключає можливість відкладання водяною каменя на внутрішніх поверхнях охолоджуючих труб. Оснащення компресорів стисненого повітря теплообмінником, крім одержання великої кількості гарячої води, ще і значно спрощують систему охолодження, тому що відпадає необхідність у градирні, насосах, вентиля горах, комунікаціях. Таким чином, наявність теплообмінника забезпечує підприємство безкоштовно гарячою водою, підвищує продуктивність конденсатора холодильної машини і відпадає необхідність у спорудженні градирні, та все що з нею пов'язано , у системах стисненого повітря. На кресленні схематично зображено конструкцію запропонованого теплообмінника, до якого входять: 1. Вентиль на вході води у внутрішній змійовик; 2. Вентиль на виході охолодженого повітря або пари холодоагенту; 3. Вентиль на вході гарячого повітря або перегрітої пари; 4. Кришка - люк для демонтажу секцій; 5. Нижня секція змійовика типу "труба в трубі"; 6. Вихідний кінець внутрішнього змійовика; 7. Верхня секція однотрубного змійовика; 8. Корпус теплообмінника; 9. Переливна труба; 10. Вентиль гарячої води; 11. Вентиль теплої води; 12. Вихід води до споживача; Робота пристрію. Спочатку заповнюється водою міжзмійовиковий простір апарату через вентиль 2 до появи води із вихідного патрубка 12. Потім через вентиль 1 підводиться гаряче повітря або пара у верхню секцію змійовика 7. Площа поверхні цього змійовика складає 25-30% від загальної площі обох секцій, тому охолодження потоку в ньому досить ефективне. Внаслідок інтенсивного теплообміну між поверхнею змійовика і водою температура потоку знижується і він потрапляє у кільцеву щілину де продовжує віддавати тепло воді, яка протитоком рухається по внутрішньому змійовику. Підігріта вода із внутрішнього змійовика 6 через вихідний патрубок поступає у міжзмійовиковий простір апарата, де додатково підігрівається внаслідок теплообміну із зовнішньою поверхнею змійовика 5. Охолоджений потік повітря або пари виходить через вентиль 3 і рухається далі в залежності від свого функціонального призначення. Враховуючи потреби споживача в температурному рівні води і її кількості, регулювання подачі здійснюється за допомогою вентилів 1, 10, 11. Верхня однотрубна секція виконує дві корисні функції: по-перше, велика різниця температур між свіжим потоком і водою забезпечує у верхній зоні апарата найбільшу температуру води; по-друге, значно охолоджений у верхній секції потік не призводить до осадження водяного каменю на поверхні внутрішнього змійовика. З метою профілактики у період тривалої експлуатації апарату внутрішню поверхню внутрішнього змійовика можна очищати від нашарувань відкладень і забруднень широко відомим хімічним способом не розбираючи апарат. Ремонтно-профілактичні роботи і очищення від водяного каменю зовнішньої поверхні верхнього змійовика здійснюється за допомогою роз'ємної кришки люка 4.