RU2037118C1

RU2037118C1 - Heat exchanger

Info

Publication number: RU2037118C1
Authority: RU
Inventors: Борис Николаевич Дубинкин; Владимир Ильич Смирнов
Original assignee: Борис Николаевич Дубинкин; Владимир Ильич Смирнов
Priority date: 1992-09-21
Filing date: 1992-09-21
Publication date: 1995-06-09

Abstract

FIELD: heat engineering. SUBSTANCE: pipe bank of the heat exchanger has pipes mounted coaxially and to define ring passages and two collectors with dummy longitudinal passages. The passages of the collectors are in communication with the ring passages through grooves. The pipes are formed with belts having outer collars and coiled into three-dimensional spiral. The outer sides of the collars of the adjacent turns are rigidly interconnected to define spiral projections. The tops of projections are in contact with inner surface of the adjacent pipe. EFFECT: enhanced efficiency. 6 dwg

Description

Изобретение относится к теплотехнике, в частности к компактным разборным теплообменникам с увеличенной площадью поверхности теплообмена и может быть использовано в энергетике, химической и пищевой промышленности. The invention relates to heat engineering, in particular to compact collapsible heat exchangers with increased heat exchange surface area and can be used in energy, chemical and food industries.

Известен теплообменник для жидкого теплоносителя, содержащий пакет, по крайней мере, их трех цилиндрических труб, расположенных соосно с образованием кольцевых каналов и двух установленных навстречу друг другу торцовых коллекторов с наружными соосными ступенчатыми цилиндрическими поверхностями, введенными в каналы и контактирующими с их стенками, причем каждый из торцевых коллекторов имеет два продольных глухих канала, сообщенных с соответствующими кольцевыми каналами проточками (патент ЕВП N 071659, F 28 D 7/10, 1985). Known heat exchanger for a liquid coolant containing a packet of at least three cylindrical pipes arranged coaxially with the formation of annular channels and two facing end collectors facing each other with external coaxial stepped cylindrical surfaces introduced into the channels and in contact with their walls, each of the end collectors has two longitudinal blind channels connected to the corresponding annular channels by grooves (patent ЕВП N 071659, F 28 D 7/10, 1985).

Недостатками известного теплообменника являются понижение его тепловой эффективности при снижении температурного напора, когда лимитирующим тепловым сопротивлением становится стенка, толщина которой не может быть меньше некоторой величины, определяемой из условия устойчивости гладкой трубы при нагружении ее наружным давлением, а также низкая степень турбулизации потоков теплоносителей в гладких кольцевых полостях теплообменника. The disadvantages of the known heat exchanger are the decrease in its thermal efficiency while lowering the temperature head, when the wall becomes the limiting thermal resistance, the thickness of which cannot be less than a certain value determined from the condition of stability of a smooth pipe when loading it with external pressure, as well as a low degree of turbulization of coolant flows in smooth annular cavities of the heat exchanger.

Известен теплообменник для жидкого теплоносителя, содержащий пакет по крайней мере из трех гофрированных спиральной дорожной цилиндрических труб, расположенных соосно с образованием кольцевых каналов и двух установленных навстречу друг другу торцевых коллекторов с наружными соосными ступенчатыми цилиндрическими поверхностями, введенными в каналы и контактирующими с их стенками, причем каждый из торцевых коллекторов имеет два продольных глухих канала, сообщенных с соответствующими кольцевыми каналами проточками прототип. A heat exchanger for a liquid heat carrier is known, comprising a packet of at least three corrugated spiral road cylindrical pipes arranged coaxially with the formation of annular channels and two end collectors mounted towards each other with external coaxial stepped cylindrical surfaces introduced into the channels and in contact with their walls, each of the end collectors has two longitudinal blind channels communicated with the corresponding annular channels by the prototype grooves.

Недостатками известного теплообменника являются понижение его тепловой эффективности при снижении температурного напора, когда лимитирующим тепловым сопротивлением становится гофрированная стенка трубы, которая несмотря на гофры не может быть меньше некоторой величины, определяемой из условия устойчивости трубы при нагружении ее наружным давлением, а также недостаточная степень турбулизации потоков теплоносителей в полостях теплообменника. Кроме того, изготовление гофрированной стенки трубы является довольно сложным. The disadvantages of the known heat exchanger are the decrease in its thermal efficiency while reducing the temperature head, when the corrugated pipe wall becomes the limiting thermal resistance, which despite the corrugations cannot be less than a certain value determined from the condition of pipe stability when loading it with external pressure, as well as insufficient degree of flow turbulence coolants in the cavities of the heat exchanger. In addition, the manufacture of the corrugated pipe wall is rather complicated.

В основу изобретения поставлена задача создания теплообменника, в котором за счет выполнения всех труб, кроме наружной, в виде свитой в пространственную спираль ленты с наружными бортами, контактирующими с внутренней поверхностью соседней трубы, обеспечивается одновременно большая турбулизация потока теплоносителя, снижение толщины стенок труб, упрощение технологии изготовления. The basis of the invention is the task of creating a heat exchanger, in which due to the execution of all pipes except the outer one, in the form of a tape twisted into a spatial spiral with the outer sides in contact with the inner surface of the adjacent pipe, at the same time more turbulence of the coolant flow is provided, pipe wall thickness is reduced, simplification manufacturing technology.

Указанная задача решается за счет того, что в теплообменнике, содержащем пакет по крайней мере из трех цилиндрических труб, расположенных соосно с образованием кольцевых каналов и двух установленных навстречу друг другу торцевых коллекторов с наружными соосными ступенчатыми цилиндрическими поверхностями, введенными в каналы контактирующими с их стенками, причем каждый из коллекторов имеет два продольных глухих канала, сообщенных с соответствующими кольцевыми каналами проточками, согласно изобретению все трубы, кроме наружной, выполнены в виде свитой в пространственную спираль ленты с наружными бортами, жестко соединенными в смежных витках, наружными поверхностями с образованием спиральных выступов, контактирующих вершинами с внутренней поверхностью соседней трубы. This problem is solved due to the fact that in a heat exchanger containing a packet of at least three cylindrical pipes arranged coaxially with the formation of annular channels and two end collectors mounted towards each other with external coaxial stepped cylindrical surfaces introduced into the channels in contact with their walls, moreover, each of the collectors has two longitudinal blind channels connected to the corresponding annular channels by grooves; according to the invention, all pipes except the outer one are made enes as a tape wound in a spatial spiral with external flanges rigidly connected in adjacent turns, the outer surfaces to form spiral projections contacting tops of the inner surface of the adjacent tube.

Выполнение всех труб, кроме наружной, в виде свитой в пространственную спираль ленты с наружными бортами, жестко соединенными в смежных витках наружными поверхностями с образованием спиральных выступов, контактирующих вершинами с внутренней поверхностью соседней трубы приводит к
уменьшению массы теплообменника при уменьшении массы труб за счет уменьшения толщины стенок труб при применении спиральных бортов при сохранении устойчивости труб к нагрузкам от наружного давления, кроме этого такая конструкция внутренних труб приводит к уменьшению габаритов теплообменника;
упрощение технологии изготовления теплообменника.The execution of all pipes, except the outer one, in the form of a tape twisted into a spatial spiral with outer sides rigidly connected to the outer surfaces in adjacent turns with the formation of spiral protrusions in contact with the peaks with the inner surface of the adjacent pipe,
reducing the mass of the heat exchanger while reducing the weight of the pipes by reducing the wall thickness of the pipes when using spiral flanges while maintaining the resistance of the pipes to external pressure loads, in addition, this design of the internal pipes reduces the dimensions of the heat exchanger;
simplification of manufacturing technology of the heat exchanger.

Обязательным условием является выполнение всех внутренних труб (не менее двух при изготовлении теплообменника из трех труб) с бортами, чтобы обеспечить эффективный теплообмен. A prerequisite is the implementation of all internal pipes (at least two in the manufacture of a heat exchanger from three pipes) with sides to ensure efficient heat transfer.

Возможность изготовления труб из ленты обеспечивает помимо всего прочего возможность изготовить трубы нужных, из соображений оптимизации характеристик теплообменника, диаметра и толщины, а не опираться на стандартизованную номенклатуру их размеров. The ability to manufacture pipes from tape provides, among other things, the ability to produce the pipes necessary, for reasons of optimizing the characteristics of the heat exchanger, diameter and thickness, rather than relying on a standardized nomenclature of their sizes.

На фиг. 1 изображена схема теплообменника; на фиг. 2 узел I на фиг. 1; на фиг. 3 разрез А-А на фиг. 2; на фиг. 4 разрез Б-Б на фиг. 3; на фиг. 5 труба с бортами; на фиг. 6 разрез В-В на фиг. 3. In FIG. 1 shows a diagram of a heat exchanger; in FIG. 2 node I in FIG. 1; in FIG. 3, section AA in FIG. 2; in FIG. 4 a section BB in FIG. 3; in FIG. 5 pipe with sides; in FIG. 6 a section BB in FIG. 3.

Теплообменник содержит пакет по крайней мере из трех цилиндрических труб 1, например, из нержавеющей стали, расположенных соосно с образованием кольцевых каналов 2 и двух установленных навстречу друг другу торцевых коллекторов 3 и 4, например, из нержавеющей стали, с наружными соосными ступенчатыми цилиндрическими поверхностями 5, введенными в кольцевые каналы 2 и контактирующими со стенками цилиндрических труб 1. The heat exchanger contains a packet of at least three cylindrical pipes 1, for example, stainless steel, arranged coaxially with the formation of annular channels 2 and two end collectors 3 and 4 mounted towards each other, for example, stainless steel, with external coaxial stepped cylindrical surfaces 5 introduced into the annular channels 2 and in contact with the walls of the cylindrical pipes 1.

Каждый из торцевых коллекторов 3 и 4 имеет два продольных глухих канала 6 и 7, сообщенных с соответствующими кольцевыми каналами 2 проточками 8. Скрепление торцевых коллекторов 3 и 4 и цилиндрических труб 1 в пакет может быть осуществлено, например, с помощью центральной штанги 9 с резьбами на концах и гайками 10. Центральная штанга 9 имеет тепловой компенсатор 11 выполненный, например, в виде пружины. Each of the end collectors 3 and 4 has two longitudinal blind channels 6 and 7, connected with the corresponding annular channels 2 by the grooves 8. The end collectors 3 and 4 and the cylindrical pipes 1 can be fastened to the packet, for example, by means of a central rod 9 with threads at the ends and nuts 10. The central rod 9 has a heat compensator 11 made, for example, in the form of a spring.

Все цилиндрические трубы 1, кроме наружной, выполнены в виде свитой в пространственную спираль ленты 12 с наружными бортами 13 по обеим боковым сторонам жестко соединенными в смежных витках наружными поверхностями 14, например, сваркой, с образованием спиральных выступов, контактирующих вершинами с внутренней поверхностью соседней цилиндрической трубы 1. All cylindrical pipes 1, except the outer one, are made in the form of a tape twisted into a spatial spiral 12 with the outer sides 13 on both sides of the outer surfaces 14 rigidly connected in adjacent turns, for example, by welding, with the formation of spiral protrusions in contact with the peaks with the inner surface of the adjacent cylindrical pipes 1.

Каждая цилиндрическая труба 1 уплотняется с обоих концов на ступенчатых цилиндрических поверхностях 5 парными кольцевыми резиновыми прокладками 15 круглого сечения, установленными в канавках 16. Each cylindrical pipe 1 is sealed at both ends on stepped cylindrical surfaces 5 by paired circular rubber gaskets 15 of circular cross section mounted in grooves 16.

В торцевых коллекторах 3 и 4 между каждой парой канавок 16 выполнены кольцевые проточки 17, соединенные отверстиями 18 с коллектором 19 и предназначенные для контроля утечек через прокладки 15 и обеспечивающие полную взаимную герметичность соседних кольцевых каналов 2. In the end manifolds 3 and 4, annular grooves 17 are made between each pair of grooves 16, connected by openings 18 to the collector 19 and designed to control leaks through gaskets 15 and ensuring complete mutual tightness of adjacent annular channels 2.

Число кольцевых каналов 2 можно варьировать для различных теплообменников. Для большей эффективности теплопередачи рекомендуется выбирать общее число кольцевых каналов 2 нечетным, чтобы нагреваемая (охлаждаемая) среда текла по четным каналам и всегда смывалась теплоносителем с двух сторон. The number of annular channels 2 can be varied for different heat exchangers. For greater heat transfer efficiency, it is recommended to choose the total number of annular channels 2 odd, so that the heated (cooled) medium flows through even channels and is always washed off by the coolant on both sides.

Теплообменник работает следующим образом. The heat exchanger operates as follows.

Через глухие каналы 6 и 7 торцевого коллектора 3 подается соответственно охлаждаемая и охлаждающая жидкости. Далее по проточкам 8 охлаждаемая и охлаждающая жидкости поступают в кольцевые каналы 2 и протекают между спиральными выступами так, что охлаждаемая жидкость протекает между двумя кольцевыми каналами 2 с охлаждающей жидкостью. После охлаждения и подогрева жидкости поступают соответственно в каналы 6 и 7 торцевого коллектора 4 и далее к потребителю. Through deaf channels 6 and 7 of the end collector 3, respectively, cooled and cooling liquids are supplied. Then, along the grooves 8, the cooled and cooling liquids enter the annular channels 2 and flow between the spiral protrusions so that the cooled liquid flows between the two annular channels 2 with the coolant. After cooling and heating, the fluids respectively enter the channels 6 and 7 of the end collector 4 and further to the consumer.

Выполнение всех цилиндрических труб 1, кроме наружной, в виде свитой в пространственную спираль ленты 12 с наружными бортами 13, жестко соединенными в смежных витках наружными поверхностями 14 с образованием спиральных выступов, контактирующих вершинами с внутренней поверхностью соседней цилиндрической трубы 1, создает устойчивость цилиндрических труб 1 при повышении наружного давления и позволяет снизить толщину стенок цилиндрических труб 1, улучшить турбулизацию потоков жидкостей за счет чего интенсифицируется процесс теплообмена. The execution of all cylindrical pipes 1, except the outer one, in the form of a tape twisted into a spatial spiral 12 with the outer sides 13, rigidly connected in adjacent turns by the outer surfaces 14 with the formation of spiral protrusions in contact with the peaks with the inner surface of the adjacent cylindrical pipe 1, creates the stability of the cylindrical pipes 1 with increasing external pressure and can reduce the wall thickness of the cylindrical pipes 1, to improve the turbulization of fluid flows due to which the heat transfer process is intensified.

Кроме того, одновременно упрощается технология изготовления теплообменника за счет изготовления цилиндрических труб 1 в виде свитой в пространственную спираль ленты 12 с одновременным изготовлением наружных бортов 13, жестко соединенных в смежных витках наружными поверхностями 14 с образованием спиральных выступов. In addition, at the same time, the technology of manufacturing the heat exchanger is simplified by manufacturing cylindrical pipes 1 in the form of a tape twisted into a spatial spiral 12 with the simultaneous manufacture of the outer sides 13, rigidly connected in adjacent turns by the outer surfaces 14 with the formation of spiral protrusions.

Угол закрутки свитой в пространственную спиральной ленты 12 определяется из условия обеспечения максимального теплосъема при заданном гидравлическом сопротивлении кольцевых каналов 2. The twist angle of the twisted into a spatial spiral tape 12 is determined from the condition of ensuring maximum heat removal for a given hydraulic resistance of the annular channels 2.

В случае утечки жидкости через прокладки 15 она поступает через кольцевые проточки 17, отверстия 18 в коллектор 19, что позволяет контролировать утечки через прокладки 15 и обеспечивает полную взаимную герметичность соседних кольцевых каналов 2. In the event of fluid leakage through the gaskets 15, it enters through the annular grooves 17, the holes 18 into the manifold 19, which allows you to control leaks through the gaskets 15 and provides complete mutual tightness of adjacent annular channels 2.

Тепловой компенсатор 11 позволяет компенсировать температурные продольные деформации труб 1 путем деформации пружины. The thermal compensator 11 allows you to compensate for the longitudinal longitudinal strain of the pipes 1 by deforming the spring.

Разработан и испытан теплообменник для охлаждения дрожжевой культуральной среды. A heat exchanger was developed and tested to cool the yeast culture medium.

Число труб 6; число кольцевых каналов 5; средняя длина труб 2 м; наружные диаметры труб d_н 0,062 м; 0,072 м; 0,082 м; 0,092 м; 0,102 м; угол закрутки свитой в пространственную спираль ленты 60^о; толщина ленты 0,001 м.The number of pipes 6; the number of ring channels 5; average pipe length 2 m; the outer diameters of the pipes d _n 0,062 m; 0.072 m; 0.082 m; 0.092 m; 0.102 m; the twist angle of the tape twisted into a spatial spiral of 60 ^about ; tape thickness 0.001 m.

Дрожжевая культуральная среда охлаждалась с 30^оС до 27^оС водой с начальной температурой 10^оС.Yeast culture medium was cooled from 30 ^{° C} to 27 ^{° C} water with an initial temperature of 10 ° ^C.

Масса разработанного теплообменника m 35 кг, в то время как масса теплообменника с гофрированными трубами аналогичных параметров составляет m 52 кг. The mass of the developed heat exchanger is m 35 kg, while the mass of the heat exchanger with corrugated pipes of similar parameters is m 52 kg.

Claims

A HEAT EXCHANGER containing a packet of at least three cylindrical pipes arranged coaxially with the formation of annular channels, and two annular collectors mounted towards each other with external coaxial stepped cylindrical surfaces introduced into the channels and in contact with their walls, each of the collectors having two longitudinal deaf channels communicated with the corresponding annular channels by grooves, characterized in that all the pipes, except the outer one, are made in the form of a suite in spatial IRAL tape with outer flanges rigidly connected to the outer surfaces of adjacent turns to form a helical projections contacting tops of the inner surface of the adjacent tube.