Спіральний трубчатий теплообмінник

Винахід відноситься до теплообмінної техніки і може бути використаний для підігріву, а також для охолодження рідких і газоподібних середовищ, і застосовується в різних галузях промисловості. Відомий спіральний теплообмінник, що містить корпус з каналами для проходу теплообмінних середовищ і з розміщеними усередині нього теплообмінними елементами, виконаними у вигляді спіральних труб і зміщених др уг відносно друга по осі корпуса. Теплообмінні елементи підключені до вхідного і вихідного колекторів, що проходить усередині них. (див. а.с. СРСР №1814021, МПК5 F28D9/04, опубл. 07.05.93). У відомому спіральному теплообміннику вхідний і вихідний колектора встановлені усередині спіральних труб, що є причиною нерівномірності температурного поля в теплообмінних елементах. Крім того, недоліком винаходу є складний ремонт та очистка труб, підвищена металомісткість, за рахунок використання громіздкого корпуса і виконання колекторів збірними у вигляді скріплених втулок. Найбільш близьким за технічною сутністю і сук упністю істотних ознак до технічного рішення, що заявляється, є спіральний теплообмінник, що містить корпус з патрубками для проходу першого теплообмінного середовища і розміщеними усередині нього паралельними один одному теплообмінними елементами, які виконані у вигляді спіральних труб із щільно прилягаючими один до одного витками і напрямними потоку першого теплообмінного середовища, причому кінці кожної труби приєднані до вхідних і вихідних колекторів другого теплообмінного середовища. Спіральні труби розміщені з зазорами паралельними одна одної секціями. При цьому, напрямні потоку першого теплообмінного середовища виконані секціями спіральних тр уб др угого теплообмінного середовища, що утворюють канали для проходу через них до ви хідного патрубка першого теплообмінного середовища (див. п. РФ № 2192593, МПК7 F28D7/04, опубл. 10.11.2002). Недоліком конструкції є обмеженість інтенсивності теплообміну, що викликана невисокою турбулізацією першого теплообмінного середовища за рахунок її розтікання по радіальних напрямних ребер. Теплообмінник некомпактний за рахунок нещільної установки секцій теплообмінних елементів. Наявність громіздкого корпуса з радіальними напрямними ребер, конусного обтічника збільшує вагу конструкції. Крім того, теплообмінник незручний в експлуатації: складність розбирання пристрою для очищення і заміни ушкоджених теплообмінних елементів. В основу винаходу поставлена задача створення нової конструкції спірального трубчатого теплообмінника з підвищеною інтенсивністю теплообміну при більшій компактності, зручністю експлуатації з можливістю його очищення і ремонту. Поставлена задача вирішується тим, що в спіральному тр убчатому теплообміннику, який містить корпус з патрубками для проходу першого теплообмінного середовища і з розміщеними усередині нього паралельними один одному теплообмінними елементами, які виконані у вигляді однозаходних спіральних труб із щільно прилягаючими один до одного витками і напрямними потоку першого теплообмінного середовища, причому кінці кожної труби приєднані до вхідного і вихідного колекторів другого теплообмінного середовища, відповідно до винаходу, теплообмінні елементи виконані багатозаходними, які прилягають один до одного паралельними поверхнями, а напрямні потоку першого теплообмінного середовища виконані витками теплообмінних елементів другого теплообмінного середовища, що утворюють канали для проходу через них до вихідного патрубка першого теплообмінного середовища, при цьому корпус утворений зовнішніми ребрами теплообмінних елементів і додатково встановленими горновими кришками з каналами для проходу теплообмінних середовищ. У переважному варіанті вихідний колектор другого теплообмінного середовища виконаний у ви гляді концентричних кілець, з'єднаних між собою перемичками. У другому переважному варіанті кожен теплообмінний елемент з'єднаний з додатковим послідовно розташованим теплообмінним елементом і утворюють замкнутий контур у формі вісімки зі змінюваним напрямком руху теплообмінних середовищ, при цьому по його периметру установлене вертикальне ребро. В іншому переважному варіанті теплообмінні елементи виконані конусоподібними. Виконання теплообмінних елементів багатозаходними у вигляді пучків дво х і більш спіральних тр уб збільшує загальну ефективн у поверхню тепловіддачі, дає можливість вибрати оптимальне число ходів потоку теплообмінного середовища, змінюючи число заходів труб. У результаті збільшується ефективність роботи теплообмінника в цілому при максимальній компактності. Крім того, прилягання один до одного поверхонь теплообмінних елементів, а також щільне розташування витків у п учках тр уб з напрямком потоку першого теплообмінного середовища по міжтрубних спіральних каналах, які утворені витками труб, дозволяє збільшити інтенсивність теплообміну за рахунок тонкого рівномірного розподілу теплообмінних середовищ і постійної турбулізації потоків у спіральних труба х і каналах. Виконання корпуса полегшеним за рахунок утворення його стінок зовнішніми ребрами спіральних тр уб, а також додатково встановлених торцевих кришок, дозволяє створити досить просту і те хнологічну конструкцію. Крім того, можливість набору будь-якої кількості теплообмінних елементів різної теплової потужності шляхом підбора ходів потоку теплообмінних середовищ, компактність за рахунок щільного розташування витків труб і самих теплообмінних елементів, дозволяє створити зручний, компактний при невеликих габаритах пристрій, що забезпечує високу е фективність використання тепла. Виконання вихідного колектора другого теплообмінного середовища у вигляді концентричних кілець, які з'єднані перемичками дозволяє, вирівнювати теплообмінне поле, збільшує швидкість руху теплообмінного середовища. Виконання теплообмінника, у якому кожен теплообмінний елемент з'єднаний з додатковим послідовно розташованим теплообмінним елементом і утворюють при цьому замкнутий контур зі змінюваним напрямком руху теплообмінних середовищ, дозволяє збільшити ефективну поверхню тепловіддачі. Турбулізація підвищується за рахунок різкої зміни радіуса проходження теплообмінних середовищ, які при цьому постійно закручуються по спіралі, у результаті збільшується інтенсивність теплообміну. Крім того, установка по периметру теплообмінника вертикального ребра дозволяє використовувати пристрій у тому випадку, коли в якості двох теплообмінних середовищ застосовується рідке середовище. У цьому разі, підвищується надійність конструкції при виникненні високих тисків рідин, температурних деформацій без збільшення габаритів і маси. Пропонується також виконання теплообмінних елементів конусоподібними при закручуванні труб у гвинтову спіраль. При цьому, постійний гвинтовий підйом або нахил тр уб забезпечує поділ рідкої і парової фаз і перешкоджає утворенню повітряних і парових пробок. У цьому випадку теплообмінник використовують як конденсатор і випарник, що є додатковою перевагою. У відомих технічних рішеннях поділ фаз не відбувається, через що виникають пробки. Технічна суть винаходу пояснюється фігурами графічних зображень: На фіг. 1 представлений вигляд зверху; На фіг. 2 - переріз по A-A теплообмінника; На фіг. 3 - вигляд зверху з додатково розташованим теплообмінним елементом; На фіг. 4 - переріз по Б-Б теплообмінника; На фіг. 5 - вигляд спереду з конусоподібним теплообмінним елементом; На фіг. 6 - переріз по В-В теплообмінника. Спіральний трубчатий теплообмінник містить корпус 1, утворений зовнішніми ребрами 2 теплообмінних елементів 3 і торцевими кришками 4. Корпус 1 має вхідні 5 і ви хідні 6 патрубки для проходу першого теплообмінного середовища. У кришці 4 утворені канали для проходу першого 7 і другого 8 теплообмінного середовища. У корпусі 1 паралельно один одному розміщені теплообмінні елементи 3, що являють собою багатозаходний пучок спіральних тр уб. Труби радіальне і рівномірно виходять із вхідного колектора 9, що потім на визначеній відстані від нього починають закручуватися в архімедову спіраль упритул один до одного та утворюють канали 10 для першого теплообмінного середовища. Теплообмінні елементи 3 прилягають один до одного своїми паралельними поверхнями та утворюють компактний пристрій. Кінці спіральних труб приєднані до вхідного 9 і вихідного 11 колекторів другого теплообмінного середовища, причому ви хідний колектор 11 у переважному варіанті виконаний у вигляді концентричних кілець 12, 13, які з'єднані між собою перемичками 14. На фіг. 3 показаний варіант виконання теплообмінника з додатковими послідовно розташованими елементами, що складаються з двох колекторів 9 і 11. Колектори лежать в одній площині і з'єднані між собою радіальне і рівномірно вихідними з них тр убами 3. Труби на деякому радіусі від колекторів починають закручуватися в ар хімедову спіраль з кожного колектора в різних напрямках (за і проти годинникової стрілки). При цьому труби роблять по одному повному оберту, після чого змінюють напрямок на протилежний. Кожна наступна труба робить на 1/n (n - число труб) оберту більше до початку зміни напрямку закручування на осі, що з'єднує центри колекторів. По периметру восьмиподібного теплообмінного елемента установлене вертикальне ребро 15. На фіг. 5 показаний варіант виконання теплообмінника з конусоподібними теплообмінними елементами, при якому теплообмінні елементи виконані конусними при закручуванні труб у гвинтову спіраль. Форма труб і оребрення може бути різна (6-1, 6-2, 6-3) фіг. 6 і виконується таким чином, щоб при наборі заданої кількості теплообмінних елементів при компановці теплообмінника трубки і ребра щільно стикалися й утворювали міжтрубні і міжреберні спіральні канали. Спіральний трубчатий теплообмінник працює таким чином. Перше теплообмінне середовище проходить через вхідний патрубок 5, попадає в спіральні канали 10, які утворені щільно прилягаючими один до одного витками спіральних тр уб 3 і ви ходить через вихідний патрубок 6. Друге теплообмінне середовище надходить у вхідний колектор 9, з якого рівномірно виходять кілька труб 3, проходить усередині них і ви ходить до вихідного колектора 11. Таким чином, можливість набору з теплообмінних елементів теплообмінників, різної теплової потужності дозволяє створювати компактну конструкцію, стійку до перепадів тисків, температурним деформаціям і ударним навантаженням. Крім того, пристрій дозволяє збільшити інтенсивність теплообміну в порівнянні з відомими, за рахунок тонкого рівномірного розподілу теплообмінних середовищ і постійної турбулізації потоків у спіральних труба х і каналах. При цьому підвищується зручність в експлуатації: можливість розбирання теплообмінника для очищення і заміни ушкоджених теплообмінних елементів. Крім того, використання пристрою як конденсаторів і випарників, розширює галузь його застосування.