Энергосберегающий пластинчатый теплообменник

Изобретение относится к теплотехнике, а именно, к теплообменному оборудованию и может быть использовано при воздушном охлаждении газов и жидкостей вне помещений без принудительной подачи охлаждающего воздуха.

Известен пластинчатый теплообменник, включающий кожух, в котором помещен пакет пластин, состоящий из множества теплообменных пластин, которые формируют первые промежутки (каналы) между пластинами для первой (охлаждающей) среды (например, воздуха) и вторые промежутки (каналы) между пластинами для второй (охлаждаемой) среды. Кожух снабжен трубными досками и крышками, в которых устроены входные и выходные отверстия (патрубки) для входа в пластинчатый теплообменник и выхода из него нагреваемой и охлаждаемой сред, а теплообменные пластины соединяются с кожухом, трубными досками и крышками через уплотнения [Патент РФ №2426965, Мкл F 28 D 9/ 00, Мкл F 28 G 13/ 00, 2009].

Основным недостатком известного пластинчатого теплообменника является необходимость принудительной подачи охлаждающего теплоносителя (воздуха), что снижает эффективность и надежность устройства.

Более близким к предлагаемому изобретению является пластинчатый теплообменник с естественной подачей охлаждающего воздуха, включает кожух, снабженный трубными досками и крышками, между которыми помещены полости для теплообменивающихся сред, в крышках устроены входные и выходные патрубки для входа и выхода теплообменивающихся сред, в кожухе помещен пакет, состоящий из теплообменных пластин, которые формируют каналы для охлаждаемой и охлаждающей среды и которые соединяются с кожухом, трубными досками и крышками через уплотнения, при этом кожух выполнен корытообразным, горизонтальным, с днищем и двумя торцами, представляющими собой нижнюю и две торцевые трубные доски с прямоугольными отверстиями для охлаждающей и охлаждаемой среды, соответственно, торцевые и верхние кромки корытообразного горизонтального кожуха, кромки торцевых и верхней крышек, снабжены фланцевыми полосами, верхняя крышка выполнена с верхней трубной доской с отверстиями для охлаждающей среды, каналы охлаждающей среды соединены с отверстиями верхней и нижней трубных досок и направлены вертикально, каналы охлаждаемой среды соединены с отверстиями торцевых трубных досок, и направлены горизонтально, а выходной патрубок охлаждающей среды (воздуха), соединен с вертикальной вытяжной трубой, снабженной дефлектором [Патент РФ №2489665, МПК F 28 D 9/ 00, 2013].

Основным недостатком известного пластинчатого теплообменника с естественной подачей охлаждающего воздуха является невозможность охлаждения отходящих газов с большим содержанием влаги до температуры ниже точки росы в связи с затоплением газовых каналов образовавшимся конденсатом, что снижает его эффективность и надежность.

Техническим результатом, на решение которого направлено предлагаемое изобретение, является повышение эффективности и надежности энергосберегающего пластинчатого теплообменника.

Технический результат достигается энергосберегающим пластинчатым теплообменником, включающим горизонтального корытообразный кожух, днище которого выполнено в виде нижней трубной доски с прямоугольными газовыми (охлаждаемой среды) отверстиями, а торцы в виде двух торцевых трубных досок с прямоугольными воздушными (охлаждающей среды) отверстиями, верхние, нижние и торцевые кромки которого снабжены фланцевыми полосами, внутри горизонтального корытообразного кожуха помещен пакет, состоящий из теплообменных пластин, установленных на нижнюю трубную доску и закрытых верхней трубной доской с образованием между собой вертикальных газовых (охлаждаемой среды) каналов, сообщающихся с газовыми отверстиями, и горизонтальных воздушных (охлаждающей среды) каналов, сообщающихся с воздушными отверстиями торцевых трубных досок, правая торцевая трубная доска закрыта наклонной заборной торцевой крышкой, отбортованной на верхней и боковых кромках также с образованием фланцевых полос и образующей снизу заборное отверстие, левая наклонная торцевая крышка отбортована на верхней, нижней и боковых кромках с образованием фланцевых полос, причем сверху она через вытяжное отверстие соединена с вертикальной вытяжной трубой, снабженной дефлектором, сверху горизонтальный корытообразный кожух закрыт верхней наклонной крышкой, отбортованной на кромках с образованием фланцевых полос, создающей газовую полость, причем справа она соединена с входным газовым патрубком, снизу горизонтальный корытообразный кожух соединен с поддоном, отбортованным на верхних кромках с образованием фланцевых полос, снабженным снизу штуцером и с правого торца выходным газовым патрубком.

Предлагаемый энергосберегающий пластинчатый теплообменник (ЭПТО) изображен на фиг. 1–8 (на фиг. 1–5 общий вид и разрезы ЭПТО, на фиг 6–8 узел стыковки теплообменного элемента с кожухом, торцевой крышкой и поддоном).

ЭПТО состоит из горизонтального корытообразного кожуха 1, днище которого выполнено в виде нижней трубной доски 2 с прямоугольными газовыми (охлаждаемой среды) отверстиями 3. А торцы в виде двух торцевых трубных досок 4, 5 с прямоугольными воздушными (охлаждающей среды) отверстиями 6, верхние, нижние и торцевые кромки которого снабжены фланцевыми полосами 7, внутри горизонтального корытообразного кожуха 1 помещен пакет 8 состоящий из теплообменных пластин 9, установленных на трубную доску 2 и закрытых верхней трубной доской 10 с образование между собой вертикальных газовых (охлаждаемой среды) каналов 11, сообщающихся с газовыми отверстиями 3, и горизонтальных воздушных (охлаждающей среды) каналов 12, сообщающихся с воздушными отверстиями 6 торцевых трубных досок 4 и 5, правая торцевая трубная доска 4 закрыта наклонной заборной торцевой крышкой 13, отбортованной на верхней и боковых кромках также с образованием фланцевых полос 7 и образующей снизу заборное отверстие 14, левая наклонная торцевая крышка 15 отбортована на верхней, нижней и боковых кромках с образованием фланцевых полос 7, причем сверху она через вытяжное отверстие 16 соединена с вертикальной вытяжной трубой 17, снабженной дефлектором 18, сверху горизонтальный корытообразный кожух 1 закрыт верхней наклонной крышкой 19, отбортованной на кромках с образованием фланцевых полос 7, создающей газовую полость 20, причем справа она соединена с входным газовым патрубком 21, снизу горизонтальный корытообразный кожух 1 соединен с поддоном 22, отбортованным на верхних кромках с образованием фланцевых полос 7, снабженным снизу штуцером 23 и с правого торца выходным газовым патрубком 24.

Предлагаемый ЭПТО работает следующим образом. Охлаждаемая среда, например, влажные газы, поступает через входной патрубок 20 в газовую полость 21, из которой распределяется по газовым отверстиям 3 трубной доски 10 и направляется в вертикальные газовые каналы 11 пакета 8, при движении по которым газы охлаждаются в результате теплообмена до температуры ниже точки росы с образованием конденсата, через теплообменные пластины 9 с охлаждающей средой, а именно, наружным воздухом, проходящим по горизонтальным воздушным каналам 12, после чего охлажденный газ через газовые отверстия 3 трубной доски 2 поступает в поддон 22, где отделяется от конденсата и через патрубок 24 выводится из теплообменника, а конденсат удаляется из поддона через штуцер 23. В тоже время наружный воздух (охлаждающая среда) под действием естественной тяги поступает снизу через заборное отверстие 14 в горизонтальные воздушные каналы 12 пакета 8, движется по ним горизонтально, нагревается от t₀ до t_Г при этом в результате теплообмена через теплообменные пластины 9 с охлаждаемым газом, движущимся по газовым каналам 11, после чего нагретый воздух через воздушные отверстия 6 трубной доски 5 поступает в воздушную полость торцевой крышки 15, поднимается вверх и через вытяжное отверстие 16 поступает в вытяжную трубу 17 высотой Н и дефлектор 18, откуда выбрасывается в атмосферу. При этом нагрев воздуха от t₀ до t_Г и высота вытяжной трубы Н, создают в воздушных каналах 12 для воздушного потока самотягу [Ю. П. Гусев Основы проектирования котельных установок – М.: Стройиздат, 1977, с.143] равную

h=H· [ρ_В–(ρ_В∙273/( t_СР+273)]·g Па (1), где

ρ_В–плотность наружного воздуха при температуре t₀, кг/м³;

t_СР–средняя температура воздуха в ЭПТО, ⁰С;

t_СР=( t₀ + t_Г)/2 (2).

Кроме того, наличие дефлектора 18 на верхней кромке вытяжной трубы 17 создает дополнительную тягу за счет ветрового давления [Богословский В.Н. Отопление и вентиляция, ч. II, М.: Стройиздат, 1976, с.309]. Оба вышеупомянутые факторы обеспечивают постоянное поступление наружного воздуха в воздушные каналы 12 ЭПТО, что позволяет охлаждать горячую среду (сбросные дымовые газы, другие сбросные газы, оборотную воду и пр.) без использования вентилятора и таким образом снизить расход электроэнергии на процессы охлаждения.

Взаимное перпендикулярное расположение воздушных 12 и газовых 11 каналов в ЭПТО позволяет осуществлять процесс теплообмена по перекрестной схеме движения теплоносителей, что обеспечивает достаточно высокую движущую силу теплопередачи и широко используется в воздухоподогревателях для парогенераторов [Тепловой расчет промышленных парогенераторов. Под ред. Частухина В. И. – Киев: Вища школа, 1980, с. 50], что позволяет значительно упростить конструкцию крышек 12, 13, 17 (внутреннюю полость крышек не нужно делить перегородками на воздушные и газовые каналы) и уменьшить их вес, значительно снизить аэродинамическое сопротивление по сравнению с известными пластинчатыми теплообменниками с конструкциями крышек для прямоточной и противоточной схем движения теплоносителей.

Таким образом, конструкция предлагаемого энергосберегающего пластинчатого теплообменника, за счет устройства вытяжной трубы с дефлектором, обеспечения в нем перекрестного движения теплообменивающихся сред и снабжения его поддоном, позволяет проводить охлаждение влажных газов до температуры ниже точки росы, что повышает его эффективность и надежность по сравнению с известными пластинчатыми теплообменниками.