Контактный теплообменник

Контактный теплообменник

Реферат

 

Использование: энергетика, теплообмен между жидкими и газообразными средами. Сущность изобретения: в корпусе теплообменника поярусно размещены модули, каждый из которых выполнен в виде частично заполненного жидкостью поддона 5 с насадкой 6 из теплопроводного материала. Насадка 6 выполнена в форме гофрированных, либо плоских пластин, установленных с заданным шагом с образованием между ними каналов для прохода сред. Модули установлены на закрепленных на стенках корпуса опорных элементах с образованием по меньшей мере одного блока. Каждый модуль снабжен поперечными переливными перегородками 11 и 12, размещенными в зоне торцев поддона 5. Поддоны 5 сообщены посредством сливных трубок 14, выполненных из резины. Поддоны 5 выполнены из пластмассы, а их днища выполнены с продольными гофрами, размещенными под насадкой 6. 7 з. п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к теплообменным аппаратам контактного типа и может быть использовано для осуществления теплообмена между жидкими и газообразными средами одинакового давления при их физико-химической совместимости с целью утилизации сбросного тепла и/или нагрева (охлаждения) одной среды другой в разных областях техники.

Известны контактные теплообменники, содержащие корпус камеры в виде канала с патрубками для подвода и отвода теплообменивающихся сред и с размещенной в канале камеры насадкой из материала с высокой теплопроводностью, одновременно контактирующей с обеими средами. Упомянутая насадка может быть выполнена, например, из набора плоских пластин, собранных с определенным шагом, или из гофрированного листа [1] Наряду с определенными преимуществами достаточно интенсивным теплообменом, умеренным испарением и отсутствием уноса жидкой теплообменной среды, удобством ремонта путем замены отдельных камер при выполнении теплообменника в виде блока из достаточного числа отдельных камер такой теплообменник имеет и ряд существенных недостатков, заключающихся в значительной металлоемкости, сложности изготовления и сборки, сложности подвода и отвода жидкой теплообменной среды и поддержании заданного ее уровня в каналах в процессе эксплуатации.

Изобретение имеет целью упростить конструкцию теплообменника и его элементов, их изготовление и сборку, повысить ремонтопригодность, обеспечить автоматическое поддержание установленного рабочего уровня жидкой теплообменной среды в каналах корпуса и при необходимости ее равномерную подачу по ширине каналов, упростить обслуживание в эксплуатации.

Поставленная цель достигается тем, что контактный теплообменник, содержащий в образованном стенками корпуса модуль в виде частично заполненного жидкостью поддона с насадкой из теплопроводного материала в форме гофрированных, либо плоских пластин, установленных с заданным шагом с образованием между ними каналов для прохода жидкой и газообразной сред, и расположенные с противоположных торцев поддона устройства для подвода и отвода упомянутых сред в каналы, снабжен дополнительными аналогичными модулями (с отдельным поддоном каждый) и опорными элементами, причем модули поярусно размещены в корпусе и установлены на закрепленных на стенках корпуса опорных элементах с образованием по меньшей мере одного блока, кроме того, каждый модуль может быть снабжен поперечной переливной перегородкой, размещенной в зоне торца поддона со стороны устройства отвода жидкой среды, каждый модуль может быть снабжен поперечной переменной перегородкой, размещенной в зоне торца поддона со стороны устройства подвода жидкости, теплообменник может быть снабжен дополнительными устройствами подвода и отвода жидкой среды и сливными трубками, причем устройство подвода жидкой среды сообщено с поддоном верхнего модуля, а устройство отвода жидкой среды сообщено с поддоном нижнего модуля, при этом поддоны смежных модулей сообщены посредством сливных трубок, размещенных в поддонах смежных модулей в зонах противоположных, открытых для газообразной среды торцев корпуса, сливная трубка поддона одного модуля может быть своим выходным торцем опущена под уровень жидкости в поддон смежного по высоте модуля, сливные трубки могут быть выполнены из резины, поддоны модулей могут быть выполнены из пластмассы, днища поддонов могут быть выполнены с продольными внутренними гофрами, размещенными под насадкой.

Указанные конструктивные отличия контактного теплообменника и его элементов действительно обеспечивают достижение целей изобретения: выполнение теплообменника с несколькими дополнительными модулями (с отдельным поддоном каждый) и опорными элементами на боковых стенках корпуса для поярусного размещения модулей в корпусе с образованием по меньшей мере одного блока упрощает конструкцию теплообменника, его изготовление и сборку, снижает металлоемкость, повышает ремонтопригодность; выполнение поперечной переливной перегородки, размещенной в зоне торца поддона со стороны отвода жидкой теплообменной среды, обеспечивает автоматическое поддержание заданного ее уровня и существенно упрощает обслуживание в эксплуатации, а аналогичная перегородка, размещенная в зоне торца поддона со стороны подвода жидкой теплообменной среды, обеспечивает равномерный ее расход (распределение) по всей ширине канала и повышает эффективность работы; выполнение каскадной схемы подачи в теплоомбенник жидкой теплообменной среды с последовательным переливом ее из верхних модулей в нижние хоть и ведет к некоторой потере температурного напора за счет создания одновременно и попутного, и встречного движения сред на разных уровнях, но существенно упрощает подвод и отвод жидкой среды и конструкцию гидросистемы, не загромождает каналы, а выполнение сливных трубок эластичными не препятствует свободной замене модулей для ремонта или очистки, и в то же время ограничивает унос жидкой теплообменной среды за счет исключения непосредственного контакта струй переливаемой среды с потоком газообразной среды; выполнение поддонов из пластмассы (вместо коррозионностойкого металла) снижает металлоемкость и стоимость теплообменника, позволяет изготавливать поддоны прессованием или литьем заодно с патрубками для сливных трубок и переливными перегородками с меньшими трудозатратами; выполнение пластмассовых поддонов с гофрированным днищем позволяет усилить теплообмен через днища поддона с газообразной теплообменной средой в расположенном ниже канале и уменьшить необходимую высоту насадки и размер канала по высоте, а также повысить эффективность теплообмена.

На фиг.1 представлен один блок теплообменника (без подводящего и отводящего воздуховодов), продольный разрез; на фиг.2 вид по стрелке А на фиг,1, поясняющий отдельные элементы конструкции каркаса и элементов теплообменника; на фиг.3 разрез Б-Б на фиг,1. поясняющий один из возможных вариантов выполнения поддона модуля с внутренними гофрами в днище поддона; на фиг.4 вид по стрелке В на фиг.3, поясняющий вид на такой поддон сбоку (с частичным разрезом).

Корпус теплообменника представляет собой каркас по меньшей мере из двух рам 1, соединенных по углам продольными соединительными звеньями 2, обшитый по периметру листом 3. На боковых стойках рам 1 закреплены опорные направляющие кронштейны 4 для установки автономных модулей. Кронштейны 4 могут быть выполнены по всей длине корпуса и дополнительно соединять между собой рамы 1 каркаса, что увеличивает его жесткость, но в то же время приводит к неоправданному перерасходу металла и к увеличению стоимости корпуса (такой вариант в чертежах не показан). Каждый модуль образован поддоном 5 для жидкой теплообменной среды и установленной в поддоне 5 теплообменной насадкой 6 из материала с высокой теплопроводностью, например из алюминия или его сплавов. Насадка 6 может представлять собой пакет из плоских пластин, набранных с определенным шагом, или гофрированный лист, высота гофр которого определяет высоту насадки. Установленные на опорных направляющих кронштейнах 4 поддоны 5 с насадкой 6 и разделяют корпус по высоте на отдельные горизонтальные каналы 7. Подвод жидкой теплообменной среды в поддон 5 верхнего модуля корпуса выполнен через закрепленный в верхней части рамы 1 каркаса раздающий коллектор 8 и соединенные с его штуцерами подающие трубки 9. Коллектор 8 патрубком 10 подключается к подводящему трубопроводу или стояку (на чертеже не показан). Подающие трубки 9 для упрощения замены автономных модулей могут быть выполнены из эластичного материала, например из резины, и своими выходными торцами опущены под уровень жидкости в поддоне 5. Для автоматического поддержания минимального рабочего уровня жидкой среды в поддоне 5 последний оборудован поперечной переливной перегородкой 11, размещенной в зоне торца поддона 5 за теплообменной насадкой 6 со стороны устройства отвода жидкой среды. Для обеспечения равномерного распределения (расхода) жидкой теплообменной среды по всей ширине поддона 5 перед насадкой 6 в зоне торца поддона 5 со стороны устройства подвода жидкости предусмотрена аналогичная поперечная переливная перегородка 12. Необходимость установки переливной перегородки 12 в переднем концевом участке поддона 5 необязательна и определяется условиями подачи в поддон жидкой теплообменной среды. Для обеспечения полного слива жидкости из поддона 5 (при необходимости замены секции) от нижней кромки в переливных перегородках 11 и 12 выполнены прорези (отверстия) 13, суммарное сечение которых в каждой перегородке может обеспечить расход жидкости при ее свободно истечении в несколько раз меньший, чем рабочий расход. Слив жидкости из верхнего поддона 5 обеспечивается аналогичными описанными выше сливными трубками 14, закрепленными на установленных в отверстиях днища заднего концевого участка поддона 5 штуцерах. Эти сливные трубки 14 поддона 5 верхнего модуля служат подающими жидкую среду трубками для поддона 5 расположенного ниже модуля блока. В остальном конструкция всех модулей блока аналогична конструкции описанного выше верхнего модуля и включает все те же элементы. Отличие заключается в том, что поскольку подвод и отвод жидкой теплообменной среды в поддоны смежных по высоте секций осуществлен с противоположных концов, то указанные поддоны установлены встречно относительно друг друга. Для слива жидкой среды из поддона 5 последнего (нижнего) модуля блока и ее отвода сливные трубки 14 указанного поддона соединены со штуцерами собирающего отводящего коллектора 15, закрепленного в нижней части рамы 1 каркаса и снабженного патрубком 16 для присоединения к отводящему трубопроводу или стояку (на чертежах не показаны). При этом отводящий коллектор 15 может быть на раме 1 каркаса с той же его стороны, что и раздающий коллектор 8, при четном числе автономных модулей по высоте блока и на противоположной при четном числе модулей.

Теплообменник по данному изобретению может состоять из одного описанного блока или из нескольких, при этом такие блоки могут устанавливаться как один над другим по высоте (в несколько рядов), так и в один ряд по высоте несколько блоков по фронту газового потока. Возможна и комбинированная установка блоков по высоте и по фронту потока. Но во всех случаях по жидкой и газо- теплообменной средам блоки включаются параллельно. Возможно также в пределах одного блока объединение двух модулей по высоте блока в несколько одинаковых групп с раздельным подводом и отводом жидкой теплообменной среды в каждую группу. Такие варианты выполнения теплообменника на чертежах не показаны.

В любом варианте выполнения теплообменника целесообразно изготовление поддонов 5 из коррозионно стойкого материала. Кроме соответствующих металлов таким материалом может быть и пластмасса. Пластмассовые поддоны проще и с меньшими трудозатратами могут быть изготовлены литьем или прессованием вместе со сливными штуцерами в днище заднего концевого участка и с поперечными переливными перегородками.

Учитывая существенную разницу в стоимости качественного металла и пластмассы, затраты на изготовление пластмассовых поддонов будут соответственно меньшими. Кроме того, пластмассовые поддоны проще изготовить и с гофрированным днищем с продольными внутренними гофрами 17 по крайней мере на части длины поддона, как показано на фиг.3 и 4. Это должно увеличить теплопередачу потоку газа через днище расположенного выше поддона. Шаг гофр 17 в поддоне 5 должен быть больше шага гофр или пластин насадок.

Работа теплообменника в описанном варианте его конструктивного выполнения в принципе не отличается от работы аналогичных известных конструкций. Некоторые особенности связаны с соответствующими особенностями конструкции и принятой каскадной схемой последовательного перелива воды из поддонов верхних модулей в поддоны нижних.

Работу контактного теплообменника по данному изобретению можно рассмотреть на примере его использования для подогрева морозного воздуха циркуляционной водой конденсаторов турбин на ТЭС.

Холодный (морозный) воздух в каждый блок теплообменника подают с одной стороны, как показано на фиг.1. Более теплую воду, например, от конденсаторов турбин, подводят к раздающему коллектору 8, из которого она через штуцеры коллектора и подающие трубки 9 поступает в передний (приемный) концевой участок поддона 5, отделенный от остальной части поперечной переливной перегородкой 12. Часть воды из этого участка через отверстия (прорези) 13 вытекает сразу в остальную часть поддона 5 с ограниченным (меньшим) расходом, и уровень ее в приемном участке растет до уровня переливной перегородки 12, после чего равномерно по всей ширине поддона 5 через переливную перегородку 12 вода поступает в основную полость поддона 5 с теплообменной насадкой 6, уровень ее в этой части поддона тоже начинает повышаться до высоты переливной перегородки 11 у заднего концевого участка поддона 5, соответствующей минимальному рабочему уровню. Затем вода сливается в задний концевой участок поддона 5 за переливной перегородкой 11 и через штуцеры в отверстиях днища этого участка поддона и сливные трубки 14 поступает в передний (приемный) концевой участок поддона 5 второго по высоте модуля, расположенного под первым. В этом поддоне его заполнение и движение жидкости в нем осуществляется аналогично, но в обратном направлении. Таким же образом вода переливается в поддоны следующих ярусов, каждый раз меняя направление движения на встречное. Из поддона 5 последнего (нижнего) модуля блока жидкость через сливные трубки 14 поступает в собирающий отводящий коллектор 15, из которого через патрубок 16 сливается в отводящий трубопровод или стояк.

Последовательно проходя через поддоны 5 теплообменника, теплая циркуляционная вода отдает свое тепло поддону, насадке 6, и потоку воздуха, протекающего в каналах и контактирующего с нею по поверхности на границе раздела сред. Температура ее при этом постепенно понижается от входа в блок до выхода из него. Проходящий в каналах воздух получает тепло как непосредственно от самой жидкости, так и от находящихся в контакте с ним теплообменной насадки 6 и поверхностей поддона 5, расположенного выше модуля. При этом нагрев воздуха в каналах блока будет разным в верхнем канале максимальный, в нижнем минимальный в соответствии с температурой, протекающей в поддонах жидкой среды и степенью ее охлаждения. В этом процессе теплообмена имеет место и испарение жидкости, пары которой уносятся встречным или попутным потоком воздуха. Эти вынужденные потери жидкой среды снижают эффективность работы теплообменника, так как требуют восполнения потерь с одной стороны, и ухудшают экологическую обстановку в зоне установки теплообменника с другой.

Тем не менее охлаждение циркуляционной воды конденсаторов турбин в таких установках экономически целесообразней, чем в обычных градирнях, так как требует меньших капиталовложений и эксплуатационных затрат и нет капельного уноса воды.

При выполнении поддонов 5 с внутренними продольными гофрами 17 увеличивается поверхность контакта потока воздуха с днищем расположенного выше поддона и теплопередача от воды через гофрированное днище потоку воздуха. С одной стороны, это способствует интенсификации теплообмена, но с другой стороны может вызвать и замораживание воды между гофрами поддона, особенно в поддонах нижних модулей блока, в которые циркуляционная вода поступает уже достаточно охлажденной в поддонах верхних модулей блока. В этой связи вопрос об использовании модулей с гофрированным днищем должен решаться с учетом температурного режима работы в пределах одного блока или каждый блок необходимо выполнять с несколькими параллельными потоками воды.

Теплообменники этого типа могут быть использованы и в других областях техники, если есть необходимость (и возможность) отвода или использования низкопотенциального тепла одной из участвующих в теплообмене сред. Эффективность теплообменников такого типа повышается при снижении потерь жидкой среды ее испарением и уноса паров потоком газа (воздуха).

Формула изобретения

1. КОНТАКТНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК, содержащий в образованном стенками корпусе модуль, выполненный в виде частично заполненного жидкостью поддона с насадкой из теплопроводного материала в форме гофрированных либо плоских пластин, установленных с заданным шагом с образованием между ними каналов для прохода жидкой и газообразной сред, и расположенные с противоположных торцов поддона устройства для подвода и отвода упомянутых сред в каналы, отличающийся тем, что он снабжен дополнительными аналогичными модулями и опорными элементами, причем модули поярусно размещены в корпусе и установлены на закрепленных на стенках корпуса опорных элементах с образованием по меньшей мере одного блока.

2. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что каждый модуль снабжен поперечной переливной перегородкой, размещенной в зоне торца поддона со стороны устройства отвода жидкости.

3. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что каждый модуль снабжен поперечной переливной перегородкой, размещенной в зоне торца поддона со стороны устройства подвода жидкости.

4. Теплообменник по пп.1 3, отличающийся тем, что он снабжен дополнительными устройствами подвода и отвода жидкой среды и сливными трубками, причем устройство подвода жидкой среды сообщено с поддоном верхнего модуля, а устройство отвода жидкой среды сообщено с поддоном нижнего модуля, при этом поддоны промежуточных модулей сообщены посредством сливных трубок, размещенных в поддонах смежных модулей в зонах противоположных, открытых для газообразной среды, торцов корпуса.

5. Теплообменник по пп.1 4, отличающийся тем, что сливная трубка поддона одного модуля своим выходным торцом опущена под уровень жидкости в поддон смежного по высоте модуля.

6. Теплообменник по пп.4 и 5, отличающийся тем, что сливные трубки выполнены из резины.

7. Теплообменник по пп.1 6, отличающийся тем, что поддоны модулей выполнены из пластмассы.

8. Теплообменник по пп.1 7, отличающийся тем, что днища поддонов выполнены с продольными внутренними гофрами, размещенными под насадкой.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4