Модульний теплообмінник

Корисна модель належить до теплоенергетики, зокрема, до теплообмінників модульного типу із збільшеною площею поверхні теплообміну, і може бути використана для нагрівання і охолоджування в системах опалювання, вентиляції і кондиціонування повітря в житлових і виробничих приміщеннях, а також в холодильних системах. Важливими умовами функціонування теплообмінних пристроїв для нагрівання і охолоджування повітря в системах опалювання, вентиляції і кондиціонування повітря в житлових і виробничих приміщеннях, 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. Даним умовам в найбільшій мірі відповідають теплообмінні пристрої модульного типу, які дозволяють забезпечити необхідну ефективність теплообмінних процесів для різних середовищ за рахунок зміни параметрів камер теплообміну і трактів теплоносія шляхом варіювання кількістю і взаємним розташуванням окремих модулів в системі. Відомий модульний теплообмінник [Патент RU №2042911, F24D9/00, дата публікації 27.08.1995p.], який містить, щонайменше, один модуль, що складається з корпусу, уворюючого камеру теплообміну, виконаного з можливістю підведення і відведення теплоносія за допомогою розподільних колекторів. Корпус виконаний коробчастої форми з відкритими торцями. Усередині корпусу розміщений пакет пластин з ущільнювачами між ними, утворюючими проточні канали для теплоносіїв. На одному з торців корпусу під пакетом пластин з ущільнювачами закріплено днище, а на протилежному торці 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 в модулі 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 складатися з одного або з декількох модулів. В теплообміннику, що складається з декількох модулів, знімні кришки фіксують пакети пластин з ущільнювачами в модулях, розташованих під ними. Зазначені кришки, що розділяють модулі, виконують роль перегородок, які задають схему потоку теплоносія в сусідніх модулях, а також перерозподіляють зусилля тиску між несучими деталями коробчастого корпусу. Таке конструктивне виконання дозволяє реалізувати багатоконтурну схему теплообміну. Вказаний модульний 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 проточних каналів - при зміні кількості пластин і ущільнень в пакетах модулів, так і за рахунок зміни схеми руху теплоносіїв - при зміні взаємного розташування модулів в корпусі. Недоліками відомого теплообмінника є: - велика матеріаломісткість і складність конструкції, обумовлена наявністю значної кількісті деталей в модулі, що суттєво збільшує вартість його виготовлення; - обмежена область застосування, обумовлена конструктивним виконанням модуля, що виключає його використовування в системах, в яких теплопередача здійснюється від корпусу безпосередньо в об'єкт обслуговування; - 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 модульного теплообмінникааналога і здорожують вартість його виготовлення, а також ремонту і обслуговування в процесі експлуатації. Відомий модульний теплообмінник [Патент RU №2309354, F28D7/06, дата публікації 27.10.2007p.], який містить, щонайменше, один модуль, що складається з корпусу, утворюючого камеру теплообміну, виконаного з можливістю підведення і відведення теплоносія за допомогою розподільних колекторів. Корпус виконаний з труби U-подібної форми, торцеві частини якої жорстко з'єднані з двома розподільними колекторами з труб більшого діаметра з фланцями на торцях. Колектори жорстко з'єднані між собою поперечиною. Теплообмінник може складатися з одного або з декількох модулів. При збірці модулі жорстко з'єднані між собою планками, а між фланцями колекторів розміщені ущільнювальні прокладки, кільцеві шайби і/або заглушки, за допомогою яких задається напрям руху теплоносія. Кільцеві шайби використовуються також для регулювання швидкості подачі теплоносія. Модулі в теплообміннику можуть бути розташовані послідовно в один ряд, по замкнутому периметру або змонтовані під кутом один відносно одного. В прямоточному теплообміннику заглушки встановлені між фланцями нагнітальних і зворотних колекторів в шаховому порядку через парну кількість модулів, а в теплообміннику з кутовою конфігурацією додатково використовують фланцеві коліна. Вказаний модульний 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 проточних каналів - при зміні кількості модулів, так і за рахунок зміни схеми руху теплоносія - при використовуванні кільцевих шайб і/або заглушок і зміні взаємного розташування модулів. При цьому теплообмінник відрізняється простотою конструкції і зручністю ремонту і обслуговування в процесі експлуатації. Теплообмінник застосовується для нагрівання розчинів в місткостях і апаратах для очищення, наприклад, при підготовці поверхонь виробів перед забарвленням. Недоліками відомого теплообмінника є: - порівняно низька ефективність теплообміну, обумовлена виконанням корпусу трубчастої форми з порівняно невеликою поверхнею теплообміну; - обмежена область застосування, обумовлена конструктивним виконанням модуля, що виключає його використовування в системах кондиціонування і вентиляції повітря, а також в системах централізованого або автономного опалювання і охолоджування житлових і виробничих приміщень; - порівняно велика матеріаломісткість, обумовлена застосуванням товстостінних деталей для виготовлення модуля. Вказані недоліки суттєво обмежують функціональні можливості теплообмінника і знижують ефективність теплообміну. В основу корисної моделі поставлена задача створення такого модульного теплообмінника, в якому за рахунок іншого конструктивного виконання корпусу і закріплених на ньому ребер забезпечуються підвищення ефективності теплообміну в поєднанні з простотою конструкції, невисокою вартістю виготовлення і обслуговування в процесі експлуатації, і, як наслідок, розширення області застосування. Поставлена задача вирішується тим, що в модульному теплообміннику, який містить, щонайменше, один модуль, що складається з корпусу, утворюючого камеру теплообміну, виконаного з можливістю підведення і відведення теплоносія за допомогою розподільних колекторів, згідно корисної моделі корпус виконаний коробчастої форми з відкритими торцевими частинами і містить з'єднувальні рознімачі, а на зовнішніх поверхнях, щонайменше, двох, протилежних бічних стінок корпусу закріплені ребра, розташовані з деяким кроком одне щодо одного і перпендикулярно до поверхні стінок. Для підвищення ефективності теплообміну і зниження маси модуля теплообмінника його корпус і ребра виконані з тонкого листового металу, що не взаємодіє з вживаним теплоносієм, наприклад, алюмінію. Для спрощення конструкції і зниження вартості, з'єднувальні рознімачі утворені відгином назовні кінцевих частин, щонайменше, двох зазначених протилежних стінок корпусу. Для забезпечення зручності при виготовленні і в процесі експлуатації, у тому числі при ремонті і заміні, що вийшли з ладу теплообмінних модулів, з'єднувальні рознімачі містять отвори для з'єднання з подібними корпусами або з розподільними колекторами за допомогою кріпильних елементів. Для спрощення конструкції і зниження вартості виготовлення при одночасному забезпеченні необхідних якостей міцності стінки корпусу з'єднані в короб за допомогою заклепувального з'єднання. Для підвищення надійності при експлуатації в зоні заклепувальних з'єднань між прилеглими одна до одної поверхнями кромок стінок корпусу розташований герметик, наприклад силікон. Для підвищення ефективності теплообміну кількість і висота ребер вибираються з умови, при якій загальна площа їх поверхні не менше загальної площі поверхні стінок корпусу. Для спрощення конструкції і зниження трудомісткості монтажу і демонтажу ребра закріплені на зовнішніх поверхнях протилежних стінок корпусу симетрично одне відносно одного або з деяким зміщенням, наприклад на 1/2 кроку. Для підвищення ефективності теплообміну ребра виконані у вигляді, наприклад, П-подібного профілю, і закріплені на стінках корпусу за допомогою перемички зазначеного профілю за допомогою заклепувального з'єднання, що включає не менше трьох заклепок по довжині кожного ребра. Для підвищення надійності при експлуатації в зоні заклепувального з'єднання між прилеглими одна до одної поверхнями перемичок ребер і прилеглих стінок корпусу розташований герметик, наприклад силікон. Для регулювання ефективності теплообмінного процесу з урахуванням зміни умов експлуатації при незмінних параметрах на вході в теплообмінник модульний теплообмінник складається з декількох модулів, з'єднаних між собою з утворенням проточних каналів для послідовного або паралельного руху теплоносія. Для підвищення надійності при експлуатації між прилеглими одна до одної поверхнями з'єднувальних рознімачів модулів розміщені ізолюючі прокладки або герметик, наприклад, силікон. Для підвищення ефективності теплообміну корпус виконаний з розміщеним в ньому у напрямі руху теплоносія, щонайменше, одним елементом для турбулізації теплоносія, виконаним, наприклад, у вигляді гвинтової пружини. Сукупність загальних і відрізнювальних суттєвих ознак корисної моделі, що заявляється, дозволяє реалізувати в модульному 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 як за рахунок зміни кількості модулів в теплообміннику, так і за рахунок зміни схеми руху теплоносія при різному взаємному розташуванні модулів. Вказаний результат досягається в поєднанні з невеликими габаритними розмірами і масою модулів, простотою конструкції, невисокою вартістю, а також зручністю і технологічністю монтажу і обслуговування в процесі експлуатації. Коробчаста форма корпусу модуля з відкритими торцевими частинами і з'єднувальними рознімачами, утвореними відгином назовні кінцевих частин, щонайменше, двох протилежних стінок корпусу, забезпечує, по-перше, можливість компоновки теплообмінника з декількох послідовно або паралельно розташованих модулів при відповідному збільшенні площі теплообміну, подруге, можливість заміни окремих модулів в теплообміннику для огляду, очищення або ремонту при засміченні або пошкодженні корпусу. Виконання корпусу і ребер у вигляді плоских поверхонь, з'єднаних між собою нахлистом, дозволяє як заготівки використовувати тонкостінний листовий метал, що суттєво знижує трудомісткість виготовлення і ремонту теплообмінника. В нижчеприведених прикладах розглядається конструктивне виконання модулів теплообмінників і схем їх з'єднання в системах теплообміну. Модульний теплообмінник може використовуватися для теплообміну між середовищами рідина-рідина, рідина-повітря і повітря-повітря. З урахуванням умов експлуатації як рідкий теплоносій в камері теплообміну можуть застосовуватися гаряча і холодна вода, незамерзаючі рідини (пропіленгліколь, етиленгліколь) або олива. Сутність корисної моделі пояснюється представленими фігурами креслення, де на Фіг.1 - загальний вид модульного теплообмінника; на Фіг.2 - схема з'єднання модуля з розподільними колекторами; на Фіг.3 - схема послідовного з'єднання модулів теплообмінника; на Фіг.4 - схема з'єднання модулів теплообмінника з паралельним рухом теплоносія; на Фіг.5 - схема з'єднання модулів теплообмінника з послідовним рухом теплоносія. Модуль теплообмінника (Фіг1) складається з корпусу 1 коробчастої форми з відкритими торцями, який утворений з'єднанням стінок 2 і 3 за допомогою одного ряду заклепок 4. Між прилеглими одна до одної поверхнями стінок 2 і 3 в зоні заклепувального з'єднання розташований герметик - силікон (не показаний). Кінцеві частини стінок 2 і 3 відігнуті назовні і утворюють з'єднувальні рознімачі 5 і 6, які містять отвори 7 для з'єднання з подібними модулями або розподільними колекторами за допомогою кріпильних елементів. На зазначених стінках 2 і 3 перпендикулярно до їх поверхонь із заданим кроком закріплені ребра 8, виконані у вигляді П-подібних профілів з перемичкою 9 і вертикальними поверхнями 10, які разом із стінками корпусу 1 утворюють теплообмінні поверхні. Кріплення ребер 8 до стінок 2 і 3 виконано за допомогою не менше трьох заклепок 11. Ребра 8 закріплені на протилежних стінках 2 і 3 симетрично одне відносно одного або із зміщенням одне щодо одного на 1/2 кроку. Між поверхнями перемичок 9 і прилеглими до неї поверхнями стінок 2 і 3 розміщений герметик - силікон (не показаний). Довжина кожного ребра 8 відповідає довжині стінки 2 і 3, а сумарна площа вертикальних поверхонь 10 на ребрах 8 перевищує загальну площу поверхні стінок корпусу 1. В даному прикладі корпус 1 і ребра 8 модульного теплообмінника виконані з листового алюмінію марки АМЦН-2 завтовшки 0,5мм. Габаритні розміри корпусу: без ребер - 550´280´15мм, з ребрами - 550´280´75мм. Висота П-подібного ребра - 30мм, ширина перемички - 12мм. Кількість ребер на кожній стінці - 13 штук. Площа теплообміну: корпусу без ребер - 0,324м2, ребер - 0,437м , загальна - 0,761м2. Модульний теплообмінник працює таким чином. Приклад 1. Модульний теплообмінник, що складається з одного модуля (Фіг.2). Теплообмінник включає один модуль і два одинарні розподільні колектори 12 і 13, виконані у вигляді замкнутих коробчастих корпусів, кожний з яких містить на одній із стінок патрубок 14 для підведення або відведення теплоносія, а на протилежній стінці рознімач 15 для з'єднання з відповідними рознімачами 5 і 6 на корпусі 1 модуля. Зазначені колектори 12 і 13 з'єднані з корпусом 1 через отвори 7 (Фіг.1) в з'єднувальних рознімачах 5 і 6 за допомогою кріплення, наприклад, заклепок (не показані). Поверхні з'єднувальних рознімачів 5 і 6 загерметизовані герметиком, наприклад, силіконом, або ущільнювальними прокладками (не показані). Ребра 8 закріплені на протилежних бічних стінках 2 і 3 симетрично одне відносно одного. Усередині корпусу 1 у напрямі руху теплоносія закріплено два елементи 16 для турбулізації теплоносія, виконані у вигляді гвинтових пружин. Від джерела теплової енергії 17 теплоносій (рідина або повітря) подається в зібраний модульний теплообмінник через патрубок 14 одного з розподільних колекторів, наприклад, 12. Проходячи через камеру теплообміну усередині корпусу 1, теплоносій передає частину тепловій енергії (тепло або холод) теплообмінної поверхні, утвореної стінками корпусу 1 і ребрами 8. Процес теплообміну суттєво інтенсифікується за рахунок розміщення в камері теплообміну елементів 16. Загальна ефективність теплообміну додатково збільшується в два і більш разів, оскільки сумарна площа вертикальних поверхонь 10 ребер 8 більше загальної площі стінок корпусу 1. Відпрацьований теплоносій виводиться з камери теплообміну з протилежної сторони корпусу 1 через патрубок 14 на розподільному колекторі 13, і далі через розширювальний бачок 18 і циркуляційний насос 19 повертається до джерела теплової енергії 17. Для підвищення ефективності теплообміну додатково може використовуватися примусовий зовнішній обдув модуля за допомогою, наприклад, вентилятора (не показаний). Вказаний модульний теплообмінник може застосовуватися для нагрівання і охолоджування повітря в невеликих приміщеннях або в локальних зонах приміщень, а також в холодильних системах. Приклад 2. Модульний теплообмінник, що складається з декількох послідовно з'єднаних модулів (Фіг.3). Теплообмінник включає декілька, наприклад, три модулі, послідовно з'єднані між собою, і два одинарні розподільні колектори 12 і 13. Зборку модулів виконують через з'єднувальні рознімачі 5 і 6 на їх корпусах 1, при цьому стінки 2 і 3 орієнтовані в однаковому напрямі, а ребра 8 закріплені на протилежних бічних стінках 2 і 3 симетрично одне щодо одного. На вільних з'єднаних рознімачах 5 і 6 крайніх корпусів 1 закріплено розподільні колектори 12 і 13. Усередині корпусів 1 у напрямі руху теплоносія закріплено два елементи 16 для турбулізації теплоносія, виконані у вигляді гвинтових пружин. Поверхні всіх з'єднувальних рознімачів при збірці загерметизовані герметиком, наприклад, силіконом, або ущільнювальними прокладками (не показані). Процес теплообміну між теплоносіями здійснюється аналогічно розглянутому вище прикладу. Вказаний модульний теплообмінник може застосовуватися для нагрівання і охолодження повітря у великих приміщеннях, а також в холодильних системах. Приклад 3. Модульний теплообмінник, що складається з декількох модулів з утворенням паралельного руху теплоносія (Фіг.4). Теплообмінник включає декілька, наприклад, чотири паралельно розташовані модуля із зміщеним на 1/2 кроку розташуванням ребер 8 на протилежних бічних стінках 2 і З їх корпусів 1 і два блокові розподільні колектори 20 і 21, виконані у вигляді коробчастих корпусів, що містять на одній із стінок рознімачі (не показані) для з'єднання з рознімачами 5 або 6 на корпусах 1 всіх чотирьох модулів, а на протилежній стінці - патрубок 22 для підведення або відведення теплоносія. Зборку корпусів 1 виконують з утворенням паралельних проточних каналів для теплоносія через камери теплообміну всіх модулів. Поверхні всіх з'єднувальних рознімачів при збірці загерметизовані герметиком, наприклад, силіконом, або ущільнювальними прокладками (не показані). При цьому вертикальні поверхні 10 ребер 8 кожного з корпусів 1 розміщуються в зазорах між аналогічними поверхнями 10 на прилеглих корпусах 1, утворених перемичками 9. Таке виконання дозволяє зменшити об'єм, займаний теплообмінником. Для підвищення ефективності теплообміну усередині кожного корпусу 1 можуть розміщуватися елементи 16 для турбулізації теплоносія (не показано). Підведення теплоносія від джерела теплової енергії 17 в зібраний модульний теплообмінник здійснюють через патрубок 22 на розподільному колекторі, наприклад, 20, далі теплоносій проходить через камери теплообміну всіх чотирьох модулів, поступає в розподільний колектор 21 і через патрубок 22 виводиться з нього, поступаючи далі через розширювальний бачок 18 і циркуляційний насос 19 до джерела теплової енергії 17. Процес теплообміну здійснюється аналогічно розглянутому вище прикладу 1. Для підвищення ефективності теплообміну використовується, як правило, примусовий зовнішній обдув модульного теплообмінника за допомогою, наприклад, вентилятора (не показаний). Вказаний модульний теплообмінник може застосовуватися для теплообміну в системах вентиляції, кондиціонування повітря, опалювальних і холодильних системах. Приклад 4. Модульний теплообмінник, що складається з декількох модулів з утворенням послідовного руху теплоносія (Фіг.5). Теплообмінник включає декілька, наприклад, п'ять паралельно розташованих модулів із зміщеним на 1/2 кроку розташуванням ребер 8 на протилежних стінках 2 і 3 їх корпусів 1 і два типорозміру розподільних колекторів: два одинарні розподільні колектори 12 і 13 з патрубками 14 для підведення або відведення теплоносія і чотири подвійні розподільні колектори 23 без патрубків. Розподільні колектори 23 виконані у вигляді коробчастих корпусів, що містять на одній із стінок рознімачі (не показані) для з'єднання з рознімачами 5 і 6 на корпусах 1 прилеглих модулів. Зборку корпусів 1 виконують з утворенням послідовного проточного каналу для теплоносія через камери теплообміну всіх модулів, для чого одинарні розподільні колектори 12 і 13 кріплять до з'єднувальних рознімачів 5 і 6 протилежних крайніх корпусів 1, подвійні розподільні колектори 23 з'єднують попарно з відповідними рознімачами модулів, що залишилися, а звернені один до одного з'єднувальні рознімачі 5-5 і 6-6 на довколишніх корпусах 1 з'єднують один з одним. Поверхні всіх з'єднувальних рознімачів при збірці загерметизовані герметиком, наприклад, силіконом, або прокладками ущільнювачів (не показані). При цьому вертикальні поверхні 10 ребер 8 кожного з корпусів 1 розміщують в зазорах між аналогічними поверхнями 10 на близько розміщених корпусах 1, утворених перемичками 9. Таке виконання дозволяє зменшити об'єм, займаний теплообмінником. Для підвищення ефективності теплообміну усередині кожного корпусу 1 можуть розміщуватися елементи 16 для турбулізації теплоносія (не показано). Підведення теплоносія від джерела теплової енергії 17 в зібраний модульний теплообмінник здійснюється через одинарний розподільний колектор, наприклад, 12, далі теплоносій, міняючи напрям руху в подвійних розподільних колекторах 23, послідовно проходить через камери теплообміну всіх п'яти модулів і виводиться з протилежного одинарного розподільного колектора 13, поступаючи через розширювальний бачок 18 і циркуляційний насос 19 до джерела теплової енергії 17. Процес теплообміну здійснюється аналогічно розглянутому вище прикладу 1. Для підвищення ефективності теплообміну використовується, як правило, примусовий зовнішній обдув корпусів 1 теплообмінника за допомогою, наприклад, вентилятора (не показаний). Вказаний модульний теплообмінник може застосовуватися для теплообміну в системах вентиляції і кондиціонування повітря, а також в холодильних системах. В розглянутих прикладах схеми підключення теплообмінника можуть доповнюватися елементами для регулювання температури теплообміну, а також пристроями для захисту відзамерзання. Пропонована конструкція модульного теплообмінника є універсальною, оскільки дозволяє використовувати його для нагрівання і охолоджування приміщень або локальних зон в них, а також в системах вентиляції, кондиціонування повітря і холодильних системах. Теплообмінник характеризується високою ефективністю теплообміну, а також дозволяє здійснювати її регулювання з урахуванням зміни зовнішніх умов при незмінних параметрах теплоносія. Теплообмінник відрізняється простотою конструкції, має невеликі габаритні розміри і невисоку вартість в поєднанні із зручністю і технологічністю монтажу і обслуговування в процесі експлуатації.