Теплообмінник для систем нагрівання та охолодження

Корисна модель належить до теплоенергетики, зокрема, до теплообмінників для теплообміну між трьома теплоносіями, що не змішуються, при послідовному контакті через розділяючі їх стінки, і може бути використана для нагрівання і охолоджування в системах опалювання, вентиляції і кондиціонування повітря в житлових і виробничих приміщеннях, а також в холодильних установках з камерним і локальним охолоджуванням. Важливими умовами функціонування теплообмінних пристроїв, які повинні враховуватися при їх розробці і подальшій експлуатації, є, по-перше, забезпечення оптимальної ефективності теплообмінного процесу (теплова потужність, тиск, температура і витрата теплоносія) для заданих умов експлуатації, по-друге, можливість регулювання процесу теплообміну з урахуванням зміни умов експлуатації при незмінних параметрах на вході в теплообмінник, по-третє, простота конструкції в поєднанні з невисокою вартістю вживаних матеріалів і теплообмінних пристроїв в цілому, і, по-четверте, зручність і надійність в процесі експлуатації, у тому числі при обслуговуванні і ремонті. Відомий теплообмінник [Патент RU №2042911, F24D9/00, дата публікації 27.08.1995p.], що складається з корпусу коробчастої форми, створюючого камеру теплообміну. Корпус виконаний з відкритими торцями, на одному з яких закріплено днище. Усередині корпусу над днищем розміщені теплообмінні елементи у вигляді пакету пластин з ущільнювачами між ними, створюючими роздільні проточні канали для двох теплоносіїв. На протилежному торці корпусу вказаний пакет зафіксований знімною кришкою. Корпус містить, щонайменше, один рознімач, а також вхідні і вихідні отвори для двох теплоносіїв, виконані з можливістю з'єднання з колекторами. Ефективність теплообміну регулюється як за рахунок зміни об'єму камери теплообміну шляхом підбору відповідної кількості пластин і ущільнювачів в пакеті, так і за рахунок зміни організації руху теплоносія - по схемах простотоку, протитечії або перехресних потоків - шляхом різних варіантів подачі теплоносіїв через вхідні і вихідні отвори в корпусі. Теплообмінник може використовуватися з одним пакетом в корпусі, а також в зборі з декількох пакетів. В збірному варіанті виконання знімні кришки розміщені між пакетами пластин з ущільнювачами і зверху замикаючого пакету. При цьому знімні кришки є перегородками, що задають схеми потоку теплоносія в прилеглих пакетах, а також перерозподіляють зусилля тиску між стінками корпусу. Такий варіант виконання дозволяє реалізувати багатоконтурну схему теплообміну. Відомий теплообмінник дозволяє забезпечити ефективність теплообмінного процесу для заданих умов експлуатації, а також можливість його регулювання з урахуванням зміни цих умов при незмінних параметрах на вході в теплообмінник як за рахунок зміни об'єму камери теплообміну - при зміні кількості пластин і ущільнень в пакетах, так і за рахунок зміни схеми руху теплоносіїв - при зміні взаємного розташування пакетів. Недоліками відомого теплообмінника є: - обмежена область застосування, обумовлена конструктивним виконанням, що виключає його використовування в системах, в яких теплопередача здійснюється від корпусу безпосередньо в об'єкт обслуговування; - велика матеріаломісткість і складність конструкції, обумовлена застосуванням товстостінних деталей для виготовлення корпусу і наявністю значної кількості деталей в теплообмінних пакетах, що суттєво збільшує вартість його виготовлення; - складність технічного обслуговування і ремонту в процесі експлуатації, обумовлена необхідністю демонтажу і подальшого монтажу великої кількості деталей. В сукупності вказані недоліки суттєво обмежують функціональні можливості теплообмінника-аналога. Відомий теплообмінник [Патент RU №1531615, F28D1/00, дата публікації 10.07.2006p.], що складається з корпусу коробчатої форми, створюючого камеру теплообміну, і розташованого всередині корпуси трубчастого теплообмінного елемента із закріпленими на ньому ребрами, при цьому корпус і трубчастий теплообмінний елемент виконаний з можливістю роздільного підведення і відведення теплоносіїв. Корпус виконаний прямокутної форми з відкритими торцями, які з'єднані з газовою магістраллю. Трубчастий теплообмінний елемент виконаний зігнутим у формі змійовика і містить гофровані ребра, між якими змонтовані пластини з відбуртовками для кріплення до внутрішніх стінок корпусу. Дві протилежні стінки корпусу виконано з напівциліндровими виїмками, з'єднаними з додатковими напівциліндровими елементами, створюючими розподільні колектори для підведення і відведення теплоносія в трубчастий теплообмінний елемент від розподільних колекторів. Теплообмінник застосовується в системах для нагріву і охолоджування рідин на стаціонарних і автономних об'єктах. Відомий теплообмінник дозволяє забезпечити ефективність теплообмінного процесу для заданих умов експлуатації і відрізняється простотою конструкції і зручністю обслуговування в процесі експлуатації. Недоліками відомого теплообмінника є: - обмежена область застосування, обумовлена конструктивним виконанням, що виключає його використовування в системах, в яких теплопередача здійснюється від корпусу безпосередньо в об'єкт обслуговування, а також в системах, в яких первинним теплоносієм є рідина; - відсутність можливості регулювання процесу теплообміну з урахуванням зміни умов експлуатації при незмінних параметрах на вході в теплообмінник; - порівняно велика матеріаломісткість, обумовлена застосуванням товстостінних деталей для виготовлення корпусу. В основу корисної моделі поставлена задача створення такого теплообмінника для систем нагріву і охолоджування, в якому за рахунок іншого конструктивного виконання корпусу, створюючого камеру теплообміну, іншого виконання і розміщення в корпусі трубчастого теплообмінного елемента, а також оснащення стінок корпусу ребрами, забезпечуються підвищення ефективності теплообміну і розширення області застосування в поєднанні з простотою конструкції, невисокою вартістю виготовлення і експлуатації. Поставлена задача вирішується тим, що в теплообміннику, що складається з корпусу коробчастої форми, створюючого камеру теплообміну, і розташованого всередині корпусу трубчастого теплообмінного елемента із закріпленими на ньому ребрами, при цьому корпус і трубчастий теплообмінний елемент виконаний з можливістю роздільного підведення і відведення теплоносіїв за допомогою розподільних колекторів, згідно корисної моделі корпус виконаний замкнутої коробчастої форми, на зовнішніх поверхнях, щонайменше, двох протилежних бічних стінок корпусу закріплені ребра, розташовані з деяким кроком одне щодо одного і перпендикулярно до поверхні цих стінок, а трубчастий теплообмінний елемент розміщений із зміщенням до однієї з торцевих стінок корпусу. Для підвищення ефективності теплообміну і зниження його маси корпус і ребра виконані з тонкого листового металу, що не взаємодіє з вживаним теплоносієм, наприклад, алюмінію. Для спрощення конструкції і зниження вартості виготовлення при одночасному забезпеченні необхідних якостей міцності стінки корпуси з'єднані в короб за допомогою заклепувальних з'єднань. Для підвищення надійності в процесі експлуатації в зоні заклепувальних з'єднань між прилеглими одна до одної поверхнями кромок стінок корпусу розташований герметик, наприклад, силікон. Для спрощення конструкції і зниження вартості виготовлення на одній із стінок корпуси виконано, щонайменше, один отвір для підведення і відведення теплоносія в камеру теплообміну. Для підвищення ефективності теплообміну кількість і висота ребер, закріплених на корпусі, вибираються з умови, при якій загальна площа їх поверхні не менше загальної площі поверхні стінок корпусу. Для спрощення конструкції і зниження вартості виготовлення ребра виконані у вигляді, наприклад, П-подібних профілів, закріплених на зазначених стінках корпусу через перемичку профілю за допомогою заклепувального з'єднання, що включає не менше три заклепки по довжині кожного ребра. Для спрощення конструкції ребра закріплені на протилежних стінках корпусу симетрично одне щодо одного або з деяким зміщенням, наприклад, на ½ кроку. Для підвищення надійності в процесі експлуатації в зоні заклепувального з'єднання між прилеглими одна до одної поверхнями перемичок ребер і зазначених стінок корпусу розташований герметик, наприклад, силікон. Для підвищення ефективності теплообміну і зниження вартості виготовлення трубчастий теплообмінний елемент виконаний, наприклад, з мідної трубки U-подібної або S-подібної форми з послідовно поперемінними ділянками звуження і розширення внутрішнього каналу. Для підвищення ефективності теплообміну і зниження вартості виготовлення ребра на трубчастому теплообмінному елементі закріплені із заданим кроком перпендикулярно до внутрішньої поверхні стінок корпусу і виконані, наприклад, з плоских пластин. Сукупність загальних і відрізнювальних суттєвих ознак корисної моделі, що заявляється, дозволяє реалізувати в теплообміннику високу ефективність теплообмінного процесу для заданих умов експлуатації, а також його регулювання з урахуванням зміни цих умов при незмінних параметрах на вході в теплообмінник за рахунок зміни кількості теплообмінників в системі. Вказаний результат досягається в поєднанні з невеликими габаритними розмірами і масою теплообмінника, простотою конструкції, невисокою вартістю, а також зручністю і технологічністю монтажу і обслуговування в процесі експлуатації. Виконання корпусу і ребер у вигляді плоских поверхонь, з'єднаних між собою нахлистом за допомогою заклепок, дозволяє як заготівки використовувати тонкостінний листовий метал, що суттєво знижує трудомісткість виготовлення і ремонту теплообмінника. В нижчеприведених прикладах розглядається конструктивне виконання теплообмінника і схем його застосування в системах теплообміну. Теплообмінник може використовуватися для теплообміну між середовищами: рідина-рідина-рідина, рідина-рідина-повітря і повітря-рідина-повітря. Як рідкий теплоносій в камері теплообміну можуть застосовуватися незамерзаючі рідини (пропіленгликоль, етиленгликоль) або олива, в трубчастому теплообмінному елементі - гаряча і холодна вода, незамерзаючі рідини (пропіленгликоль, етиленгликоль) або холодоагенти для холодильної техніки (окрім аміаку). Сутність корисної моделі пояснюється представленими фігурами креслення, де на Фіг.1 - загальний вид теплообмінника; на Фіг.2 - схема використовування теплообмінника як джерела тепла; на Фіг.3 - схема використовування теплообмінника як джерела охолоджування. Теплообмінник (Фіг.1) складається з корпусу 1 замкнутої коробчатої форми, утвореного з'єднанням стінок 2, 3, 4 і 5 за допомогою заклепок 6. При цьому верхня стінка 4 утворена нахлистним з'єднанням відтбуртовок бічних стінок 2 і 3, а торцеві стінки 7 і 8 – аналогічним з'єднанням відбуртовок чотирьох стінок 2, 3, 4 і 5. Поверхні в зонах з'єднання зазначених стінок загерметизовані герметиком, наприклад, силіконом, або ущільнювальними прокладками (не показані). Внутрішня порожнина корпусу 1 являється камерою теплообміну (не позначена). На стінці 4 є отвір 9 для підведення теплоносія в камеру теплообміну і відведення з неї, яке в робочому стані теплообмінника герметизується, наприклад, гвинтовою пробкою (не показана). На бічних стінках 2 і 3 перпендикулярно до їх поверхонь із заданим кроком закріплені ребра 10, виконані у вигляді П-подібних профілів з перемичкою 11 і вертикальними поверхнями 12, які разом із стінками корпусу 1 утворюють теплообмінні поверхні. Кріплення ребер 10 до стінок 2 і 3 виконано за допомогою не менше трьох заклепок 13. Ребра 10 на протилежних стінках 2 і 3 розташовані із зміщенням один щодо одного на ½ кроку. Між поверхнями перемичок 11 і прилеглими до неї поверхнями стінок 2 і 3 розміщений герметик - силікон (не показаний). Довжина кожного ребра 10 відповідає довжині стінки 2 і 3, а сумарна площа вертикальних поверхонь 12 більше загальної площі зовнішньої поверхні стінок корпусу 1. Усередині корпусу 1 змонтований трубчастий теплообмінний елемент 14, виконаний 3 мідної трубки Uподібної форми з послідовно перемінними ділянками звуження і розширення внутрішнього каналу. Вказаний елемент 14 розташований із зміщенням до торцевої стінки 8 із зазором між ним і протилежною торцевою стінкою 7, а також бічними стінками 2, 3, 4 і 5 вільних порожнин. Кінцеві частини 15 і 16 трубчастого теплообмінного елемента 14 закріплені на торцевій стінці 8 і виконані з можливістю їх з'єднання з розподільними колекторами (не показані). На трубчастому теплообмінному елементі 14 жорстко закріплені плоскі ребра 17. Ребра 17 розташовані з однаковим кроком і перпендикулярно стінкам корпусу 1. Висота і ширина ребер 17 менше відповідних розмірів корпусу 1. В розглянутому прикладі корпус 1 і ребра 11 виконані з листового алюмінію марки АМЦН-2 завтовшки 0,5мм. Габаритні розміри корпусу: без ребер - 550x280x15мм, з ребрами - 550x280x75мм. Висота П-подібного профілю 30мм, ширина його перемички - 12мм. Кількість ребер на кожній стінці - 13 штук. Площа поверхні теплообміну: корпусу - 0,324м2, ребер - 0,437м2, загальна - 0,761м2. Трубчастий теплообмінний елемент 14 і закріплені на ньому плоскі ребра 17 виконані з міді. Теплообмінник працює таким чином. Приклад 1. Теплообмінник використовується як джерело тепла (Фіг.2). Виконання теплообмінника: трубчастий теплообмінний елемент 14 виконаний з мідної трубки U-подібної форми з послідовно перемінними ділянками звуження і розширення внутрішнього каналу (не показано) і розташований із зміщенням доторцевої стінки 8 корпусу 1, його кінцеві частини 15 і 16 закріплені на зазначеній торцевій стінці 8 і виконані з можливістю їх з'єднання з розподільними колекторами. В камеру теплообміну корпусу 1 через отвір 9 (Фіг.1) заливається рідкий теплоносій, наприклад, пропіленгліколь, після чого отвір герметизується гвинтовою пробкою (не показана). Кінцеві частини 15 і 16 трубчастого теплообмінного елемента 14 підключаються до колекторів джерела теплової енергії, наприклад, системи циркуляції гарячої води централізованого опалювання 18. Проходячи через трубчастий теплообмінний елемент 14, гаряча вода в процесі теплової взаємодії з його стінками і плоскими ребрами 17 передає частину теплової енергії теплоносію в камері теплообміну, а через нього - теплообмінної поверхні, утвореної стінками корпусу 1 і ребрами 10. Висока ефективність теплообміну в первинному контурі теплообміну досягається за рахунок виконання трубчастого теплообмінного елемента 14 з послідовно перемінними ділянками звуження і розширення внутрішнього каналу, що додає потоку теплоносія турбулентного характеру, і збільшення його площі теплообміну за допомогою плоских ребер 17, а у вторинному контурі - за рахунок збільшення більш ніж в два рази поверхні теплообміну корпусу 1 із закріпленими на ньому ребрами 10. Відпрацьований теплоносій виводиться із трубчастого теплообмінного елемента 14 через його кінцеву частину 16 и далі через розширювальний бачок 19 і циркуляційний насос 20 повертається до системи централізованого опалювання 18. Для підвищення ефективності теплообміну, наприклад, в системах вентиляції або кондиціонування, може використовуватися примусовий зовнішній обдув теплообмінника за допомогою вентилятора (не показаний). Зазначена схема дозволяє використовувати теплообмінник для теплообміну в невеликих приміщеннях, в локальних зонах приміщень або в системах вентиляції і кондиціонування. Приклад 2. Теплообмінник використовується як джерело охолоджування (Фіг.3). Виконання теплообмінника: трубчастий теплообмінний елемент 14 виконаний з мідної трубки S-подібної форми з послідовно перемінними ділянками звуження і розширення внутрішнього каналу (не показано) і розташований із зміщенням до однієї торцевої стінки корпусу 1, його кінцеві частини 15 і 16 закріплені на протилежних торцевих стінках (не позначені) корпусу 1 і виконані з можливістю їх з'єднання з розподільними колекторами. Теплообмінники розміщуються в камерах 21, наприклад, вітринах для швидкопсувних продуктів холодильних установок 22. В камери теплообміну на кожному теплообміннику через отвір 9 (Фіг.1) заливається рідкий теплоносій, наприклад, пропіленгликоль, після чого отвори герметизуються гвинтовими пробками (не показані). Для регулювання процесу теплообміну з урахуванням зміни умов експлуатації при незмінних параметрах на вході в теплообмінник в кожній камері 21 монтуються локальні системи охолоджування, що включають теплообмінник, циркулярний насос 23, датчик температури 24 і вентилятор 25. Локальні системи охолоджування через кінцеві частини 15 і 16 трубчастого теплообмінного елемента 14 підключаються до системи циркуляції холодоагента, яка містить розширювальний бачок 26 і циркулярний насос 27. Процес теплообміну між теплоносіями здійснюється аналогічно розглянутому вище прикладу. Відпрацьований холодоагент виводиться з трубчастих теплообмінних елементів 14 в систему його циркуляції, повертаючись в холодильну установку 22. Схеми підключення теплообмінника можуть доповнюватися пристроями для захисту від замерзання. Пропонована конструкція теплообмінника є універсальною, оскільки може використовуватися для нагріву і охолоджування в системах опалювання, вентиляції і кондиціонування повітря в житлових і виробничих приміщеннях, а також в холодильних установках з камерним і локальним охолоджуванням. Теплообмінник володіє високою ефективністю теплообміну, а також можливістю регулювання процесу теплообміну з урахуванням зміни умов експлуатації при незмінних параметрах на вході в теплообмінник. При цьому теплообмінник відрізняється простотою конструкції, має невеликі габаритні розміри і невисоку вартість виготовлення в поєднанні із зручністю і технологічністю монтажу і обслуговування в процесі експлуатації.