PL243377B1

PL243377B1 - Zespół wymiennika ciepła

Info

Publication number: PL243377B1
Application number: PL438256A
Authority: PL
Inventors: Marek Borawski
Original assignee: Borawski Marek Bilab
Priority date: 2021-06-28
Filing date: 2021-06-28
Publication date: 2023-08-14
Also published as: EP4113045C0; PL438256A1; EP4113045B1; EP4113045A1

Abstract

Zgłoszenie dotyczy zespołu wymiennika ciepła, do umieszczenia w płynie, zawierającego układ płaszczy (3), gdzie płaszcze (3) są ze sobą połączone płynowo i zamknięte na swych końcach, tworząc wspólnie komorę wymiany ciepła, zaś pomiędzy płaszczami znajdują się przestrzenie (3a) otwarte na ich końcach, przez które może swobodnie przepływać płyn, w którym wymiennik jest umieszczony, przy czym zespół zaopatrzony jest w środki doprowadzające (6, 7), do doprowadzania innego płynu do płaszczy (3), i w środki odprowadzające (8, 9, 10), do odprowadzania tego płynu z płaszczy (3). Zespół wymiennika charakteryzuje się tym, że zawiera centralny wał (11) obrotowo podparty na końcach, cylindryczną komorę (1) otaczającą wał (11), przy czym ta cylindryczna komora (1) jest trwale i hermetycznie zabudowana na wale (11) i obrotowa wraz z wałem (11), oraz wypełniona powietrzem, a także środki napędowe (100) do poruszania zespołem wymiennika, przy czym układ płaszczy (3) otacza cylindryczną komorę (1) i jest trwale zamocowany wokół niej i obrotowy wraz z wałem (11) i cylindryczną komorą (1), a ponadto wał (11), cylindryczna komora (1) i układ płaszczy (3) rozmieszczone są współśrodkowo.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest zespół wymiennika ciepła, do umieszczenia w płynie, zawierający układ płaszczy, gdzie płaszcze są ze sobą połączone płynowo i zamknięte na swych końcach, tworząc wspólnie komorę wymiany ciepła, zaś pomiędzy płaszczami znajdują się przestrzenie otwarte na ich końcach, przez które może swobodnie przepływać płyn, w którym wymiennik jest umieszczony, przy czym zespół zaopatrzony jest w środki doprowadzające do doprowadzania innego płynu do płaszczy, i w środki odprowadzające do odprowadzania tego płynu z płaszczy.

Ze stanu techniki znane są różnego rodzaju wymienniki ciepła o konstrukcji płaszczowej, płaszczowo-rurowej i innych. Wymienniki płaszczowe, w których płaszcze są ze sobą połączone płynowo i zamknięte na swych końcach, zaś pomiędzy płaszczami znajdują się przestrzenie. W płaszczach, wspólnie tworzących komorę wymiany ciepła, przepływa pierwszy płyn, zaś w przestrzeniach pomiędzy nimi przepływa drugi płyn. Poprzez ten układ jeden płyn oddaje ciepło drugiemu płynowi. Problem w wymianie ciepła polega na tym, że płyn po obu stronach blachy tworzącej płaszcze tworzy warstwę przyścienną. Ta warstwa stanowi barierę dla sprawnej wymiany ciepła. W związku z powyższym takie wymienniki często są wprowadzane w ruch, np. ruch obrotowy wokół ich osi albo w drgania, celem wspomagania ruchu płynów i wymiany ciepła oraz zapobiegania gromadzenia się osadów na ściankach wymiennika. Poprzez ruch wymiennika powoduje się „odklejanie” warstwy przyściennej, co powoduje oczyszczanie wymiennika.

W dokumencie GB656647A ujawniono wymiennik obrotowy, osadzony na wale. Obracanie ma na celu wspomaganie przepływu płynu przez wymiennik i wymianę ciepła. Przez obudowę wymiennika przebiega zamknięty cylindryczny rdzeń, na którym osadzony jest spiralny kanał oddzielający dwie komory wymiany, przy czym obie komory znajdują się po zewnętrznej stronie rdzenia. Końce wału obrotowego są puste w środku, poprzez nie do wymiennika doprowadza się i wyprowadza płyn do jednego z kanałów, zaś drugi płyn wprowadza się i wyprowadza przez króćce w obudowie.

W dokumencie JPS54114851A opisano wymiennik obrotowy, osadzony na wale. Wał jest pusty w środku i ma na celu doprowadzanie medium do niektórych komór wymiennika.

Dokument GB1239320A ujawnia wymiennik płaszczowy z przebiegającym przez niego obrotowym, pustym w środku wałem. Obraca się jedynie wał, do wału zaś przymocowany jest element spiralny do przemieszczania materiału w komorze przylegającej do wału, oraz elementy zdrapujące do czyszczenia zewnętrznej ściany tej komory z krystalizującego materiału. Pusty w środku wał umożliwia ciśnieniowe sterowanie dociskiem elementów zdrapujących.

Dokument US3621506A ujawnia podobne rozwiązanie, również z pustym w środku, obrotowym wałem, do którego zamocowane są elementy zdrapujące.

W dokumencie US3835922A opisano rozwiązanie, w którym na obrotowym wale zamocowany jest cylindryczny rotor otaczający wał (cylindryczna, pusta w środku komora, spłaszczona w niektórych miejscach). Na rotorze zamocowane są elementy zdrapujące, podobnie jak w poprzednich dwóch dokumentach. Duża średnica rotora ma na celu uzyskanie większych prędkości elementów zdrapujących.

Niniejszy wynalazek ma na celu zwiększenie efektywności istniejących urządzeń, tj.:

- dodatkowe wspomaganie przepływu płynu, co powoduje lepszą wymianę ciepła oraz efektywniejsze czyszczenie powierzchni wymiennika,

- zmniejszenie obciążenia łożysk w rozwiązaniach opartych na wale, a poprzez to zwiększenie trwałości tych rozwiązań,

- usztywnienie konstrukcji, co także poprawia jej efektywność i trwałość.

Wynalazek dotyczy zespołu wymiennika ciepła, do umieszczenia w płynie. Zespół wymiennika zawiera układ płaszczy, gdzie płaszcze są ze sobą połączone płynowo i zamknięte na swych końcach, tworząc wspólnie komorę wymiany ciepła. Pomiędzy płaszczami znajdują się przestrzenie otwarte na ich końcach, przez które może swobodnie przepływać płyn, w którym wymiennik jest umieszczony. Zespół zaopatrzony jest w środki doprowadzające, do doprowadzania innego płynu do płaszczy, i w środki odprowadzające, do odprowadzania tego płynu z płaszczy.

Według wynalazku zespół wymiennika ciepła zawiera:

- centralny wał obrotowo podparty na końcach,

- cylindryczną komorę otaczającą wał, przy czym ta cylindryczna komora jest trwale i hermetycznie zabudowana na wale i obrotowa wraz z wałem oraz wypełniona powietrzem, a także

- środki napędowe do poruszania zespołem wymiennika, przy czym układ płaszczy otacza cylindryczną komorę i jest trwale zamocowany wokół niej i obrotowy wraz z wałem i cylindryczną komorą, a ponadto wał, cylindryczna komora i układ płaszczy rozmieszczone są współśrodkowo.

Korzystnie zespół wymiennika zawiera jeden, dwa albo trzy płaszcze.

Także korzystnie, płaszcze połączone są płynowo parami, przy czym każda z par tworzy komorę wymiany ciepła.

Jest też dobrze, jeśli płaszcze połączone są ażurowymi grodziami.

Dobrze jest również, jeśli płaszcze zamknięte są na końcach pierścieniowymi deklami.

Jest korzystnie, gdy cylindryczna komora na swych końcach posiada kolektory połączone z układem płaszczy za pośrednictwem promieniście rozstawionych rur zasilających. W korzystnej postaci rur zasilających jest sześć.

Dobrze jest, jeśli układ płaszczy jest zamocowany wokół cylindrycznej komory za pomocą promieniowych łączników. Korzystnie są cztery takie łączniki.

Jest również korzystnie, jeśli środki doprowadzające zawierają króciec doprowadzający, przewód główny doprowadzający oraz przewody rozprowadzające.

Jest także dobrze, gdy środki odprowadzające zawierają przewody zbiorcze, przewód główny odprowadzający oraz króciec odprowadzający.

Korzystnie jest też, gdy środki napędowe stanowią silnik elektryczny poruszający wałem wahliwie. Dobrze jest, jeśli ten ruch odbywa się w zakresie ±15° w okresie wynoszącym około 1 s.

Równie korzystnie jest, gdy środki napędowe stanowią silnik wibracyjny. Korzystnie jest, jeśli silnik wibracyjny jest przystosowany do poruszania wymiennikiem względem osi wału z częstotliwością około 17 Hz i amplitudą około 2 mm. Jest lepiej, jeśli zespół wymiennika jest wyposażony w stelaż z płytą montażową, na której zamocowany jest silnik wibracyjny.

Przedmiot wynalazku został przedstawiony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia widok perspektywiczny jednego przykładu wykonania wynalazku, w którym zespół wymiennika umieszczony jest w wannie, fig. 2 przedstawia widok perspektywiczny wanny z zespołem według tego przykładu wykonania w przekroju podłużnym, fig. 3 przedstawia widok perspektywiczny zespołu wymiennika w tym przykładzie wykonania, fig. 4 przedstawia przekrój poprzeczny zespołu wymiennika w tym przykładzie wykonania, fig. 5 przedstawia przekrój podłużny zespołu wymiennika w tym przykładzie wykonania, fig. 6 przedstawia widok perspektywiczny jeszcze jednego przykładu wykonania wynalazku, w którym zespół wymiennika umieszczony jest w wannie, fig. 7 przedstawia widok perspektywiczny wanny z zespołem wymiennika według tego przykładu wykonania w przekroju podłużnym, fig. 8 przedstawia schematycznie w widoku osiowym sposób poruszania się wymiennika w tym przykładzie wykonania, fig. 9 przedstawia widok perspektywiczny zespołu wymiennika w tym przykładzie wykonania, fig. 10 przedstawia przekrój poprzeczny wymiennika w tym przykładzie wykonania.

Na figurach przedstawiono przykłady wykonania wynalazku, przy czym dla wszystkich przykładów wykonania wspólnym jest to, że wynalazek stanowi zespół wymiennika ciepła, do umieszczenia w płynie. Zespół wymiennika ciepła zawiera układ płaszczy 3, przy czym płaszcze 3 są ze sobą połączone płynowo i zamknięte na swych końcach, tworząc wspólnie komorę wymiany ciepła. Pomiędzy płaszczami znajdują się przestrzenie 3a otwarte na ich końcach, przez które może swobodnie przepływać płyn, w którym wymiennik jest umieszczony. Powyższe cechy są najlepiej widoczne na fig. 2, 4, 7, 10. Na fig. 1 ponadto widać, iż wymiennik umieszczony jest w wannie (W), tj. zanurzony w płynie, którym mogą być np. ścieki.

Jak widać na fig. 3, 9 (oraz częściowo na innych figurach), zespół zaopatrzony jest w środki doprowadzające 6, 7, 10a, do doprowadzania innego płynu do płaszczy 3, i w środki odprowadzające 8, 9, 10, do odprowadzania tego płynu z płaszczy 3.

Wynalazek charakteryzuje się tym, że zawiera

- centralny wał 11 obrotowo podparty na końcach (widoczny na fig. 2, 3, 5, 7, 9, 11),

- cylindryczną komorę 1 otaczającą wał 11 (zob. fig. 2, 4, 5, 7, 11), przy czym ta cylindryczna komora 1 jest trwale i hermetycznie zabudowana na wale 11 i obrotowa wraz z wałem 11, oraz wypełniona powietrzem, a także

- środki napędowe 100 do poruszania zespołem wymiennika, widoczne najlepiej na fig. 1, 2,

6, 7, 8).

Układ płaszczy 3 otacza cylindryczną komorę 1 i jest trwale zamocowany wokół niej i obrotowy wraz z wałem 11 i cylindryczną komorą 1, a ponadto wał 11, cylindryczna komora 1 i układ płaszczy 3 rozmieszczone są współśrodkowo.

Zespół wymiennika może zawierać jeden lub większą liczbę płaszczy 3, przy czym najkorzystniejszą liczbą płaszczy 3 jest jeden, dwa albo trzy. Na fig. 1-5 przedstawiono przykład wykonania z trzema płaszczami 3 (jedna z korzystnych postaci zespołu wymiennika w wariancie z silnikiem poruszającym wałem wahliwie), zaś na fig. 6-10 widać przykład z tylko jednym płaszczem 3 (korzystna postać zespołu wymiennika w wariancie z silnikiem wibracyjnym). W korzystnej postaci płaszcze 3 połączone są ażurowymi grodziami 4, jak jest to widoczne w przykładzie wykonania przedstawionym m.in. na fig. 2, i - równie korzystnie - zamknięte są na końcach pierścieniowymi deklami 5 (fig. 3).

W pewnym przykładzie wykonania cylindryczna komora 1 na swych końcach posiada kolektory 2a połączone z układem płaszczy 3 za pośrednictwem promieniście rozstawionych rur zasilających 7, korzystnie rur zasilających 7 jest sześć (fig. 3).

W pewnym przykładzie wykonania układ płaszczy 3 jest zamocowany wokół cylindrycznej komory 1 za pomocą promieniowych łączników 2, korzystnie czterech (fig. 3, 4).

W jednym przykładzie wykonania, pokazanym m.in. na fig. 7, środki doprowadzające 6, 7, 10a zawierają króciec doprowadzający 10a, przewód główny doprowadzający 6 oraz przewody rozprowadzające 7.

W pewnym przykładzie wykonania, pokazanym m.in. na fig. 2, środki odprowadzające 8, 9, 10 zawierają przewody zbiorcze 8, przewód główny odprowadzający 9 oraz króciec odprowadzający 10.

W przykładzie wykonania pokazanym na fig. 1-5 środki napędowe 100 stanowią silnik elektryczny poruszający wałem 11 wahliwie. Korzystnie, silnik elektryczny 11 jest przystosowany do poruszania wałem 11 wahliwie w zakresie ±15° w okresie wynoszącym około 1 s.

W przykładzie wykonania pokazanym na fig. 6-10 środki napędowe 100 stanowią silnik wibracyjny. Korzystnie, silnik wibracyjny 100 jest przystosowany do poruszania wymiennikiem względem osi wału 11 z częstotliwością około 17 Hz i amplitudą około 2 mm (Au); na fig. 10 wskazano strzałką kierunek drgań. W tym przykładzie wykonania dobrze jest, jeśli zespół wymiennika jest wyposażony w stelaż 101 z płytą montażową 102, na której zamocowany jest silnik wibracyjny 100.

Zespół wymiennika, do zastosowania np. w pralni, można zainstalować w komorze (wannie) W, która stanowi jednocześnie konstrukcję wsporczą dla zespołu wymiennika i układu napędowego zawierającego silnik 100, oraz zbiornik dla znajdującego się w niej płynu, np. wody ściekowej, od którego odbierane jest ciepło. Szkielet wanny może stanowić rama spawana z profili stalowych, przy czym w górnej części ramy może być zainstalowany zbiornik Z (zaznaczony na fig. 1), stanowiący wstępny bufor wody ściekowej, do którego trafia przefiltrowana woda pochodząca z pralni. Woda ta dostaje się grawitacyjnie do wanny przez przewody rurowe (nie pokazano). Całość może być wyposażona np. w środki zapobiegające przelewaniu. Silnik 100, w przykładzie wykonania z silnikiem 100 poruszającym wałem wahliwie, może być zamocowany na krótszej, bocznej ścianie wanny W, co widać na fig. 1-2. W przykładzie wykonania z silnikiem wibracyjnym 100, może on być zamocowany nad zespołem wymiennika, np. za pośrednictwem stelażu 101 z płytą montażową 102, co jest dobrze widoczne na fig. 6-8.

Jak wspomniano wcześniej, poruszając wymiennikiem uzyskuje się „odklejanie” warstwy przyściennej, która stanowi przeszkodę dla sprawnej wymiany ciepła. Oczyszczanie wymiennika następuje w wyniku jego ruchu. W przedmiotowym wynalazku osadzona na wale cylindryczna komora wypełniona powietrzem, poruszająca się wraz z wałem, wykonuje ruch względem płynu w wymienniku, jej celem jest kierowanie strugi płynu równolegle do osi tej komory.

Gdyby wymiennik się obracał, jak to jest w znanych rozwiązaniach, wówczas od tarcia między ściankami wymiennika a płynem (np. ściekiem) tworzy się siła napędowa podobna do takiej, jak występuje w mikserze i płyn krąży razem z komorą wymiennika. Jest to zjawisko niekorzystne gdyż siłą napędową wymiany ciepła jest względna różnica prędkości (wpływa to na wielkość współczynnika alfa istotnego z punktu wymiany ciepła). Poziomy ruch ścieku wynika z faktu zasilania zasobnika (np. wanny), w którym znajduje się wymiennik z jednej strony i odpływem z drugiej strony. Wszystkie elementy są w układzie poziomym, dlatego ruch płynu również odbywa się poziomo. Pojemnik dodatkowo posiada przegrodę w której są otwory aby wymusić ruch ścieku w sposób zamierzony. Płyn nie może płynąć inaczej niż geometria wymiennika ciepła. Element pracuje pod ciśnieniem dlatego, w przypadku niniejszego wynalazku, komora otaczająca wał „ściąga” dużą część z nacisku, co jest istotne z punktu widzenia odzyskiwania energii (ciepła). Materiał obudowy to najczęściej stal nierdzewna, która nie jest zbyt dobrym materiałem na wymiennik ciepła. Ma słabe lambda - wskaźnik odpowiedzialny za przewodzenie. Można to poprawić zwiększając powierzchnię wymiany ciepła - dodając do tego grubość blachy (zagrożenie ciśnienie wody), ale przez to otrzymujemy dużą masę. Dlatego w niniejszym wynalazku centralna komora otaczająca wał jest istotna.

Sama komora również oczyszcza się pod wpływem tego ruchu. Wykorzystywana jest tutaj siła bezwładności płynu. Inną funkcją komory jest to, że dzięki jej sile wyporu miejsca podparcia (łożyska) całego wymiennika są mniej obciążone. Przy często bardzo dużej powierzchni wymiany ciepła nacisk wynikający z ciśnienia może wynosić na przykład około 1000 T. Konstrukcja musi być mocna, czyli jest konieczność zastosowanie dość grubej blachy, która sporo waży. Centralna komora na wale, w pewnych przypadkach powoduje zdjęcie nawet 300 kg z obciążenia wału, co w oczywisty sposób zmniejsza obciążenie konstrukcji.

Oczywiście wynalazek nie ogranicza się tylko do pokazanych przykładów realizacji i możliwe są różne jego modyfikacje w ramach zastrzeżeń patentowych bez odejścia od istoty wynalazku.

Claims

1. Zespół wymiennika ciepła, do umieszczenia w płynie, zawierający układ płaszczowy mający co najmniej jeden płaszcz (3) zamknięty na swych końcach i tworzący komorę wymiany ciepła, oraz co najmniej jedną przestrzeń (3a) otwartą na swych końcach, przez którą może swobodnie przepływać płyn, w którym wymiennik jest umieszczony, przy czym liczba przestrzeni (3a) odpowiada liczbie płaszczy (3), zaś przestrzenie (3a) są rozmieszczone przylegle do płaszczy (3) i promieniowo wewnątrz w stosunku do płaszczy (3), przy czym zespół zaopatrzony jest w środki doprowadzające (6, 7, 10a), do doprowadzania innego płynu do płaszczy (3), i w środki odprowadzające (8, 9, 10), do odprowadzania tego płynu z płaszczy (3), znamienny tym, że zawiera

- centralny wał (11) obrotowo podparty na końcach,

- cylindryczną komorę (1) otaczającą wał (11), przy czym ta cylindryczna komora (1) jest trwale i hermetycznie zabudowana na wale (11) i obrotowa wraz z wałem, oraz wypełniona powietrzem, a także

- środki napędowe (100) do poruszania zespołem wymiennika, przy czym układ płaszczowy otacza cylindryczną komorę (1) i jest trwale zamocowany wokół niej i obrotowy wraz z wałem (11) i cylindryczną komorą (1), a ponadto wał (11), cylindryczna komora (1) i układ płaszczy (3) rozmieszczone są współśrodkowo.

2. Zespół wymiennika według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera jeden płaszcz (3).

3. Zespół wymiennika według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera co najmniej dwa płaszcze (3), przy czym płaszcze (3) są ze sobą połączone płynowo i razem tworzą komorę wymiany ciepła.

4. Zespół wymiennika według zastrz. 3, znamienny tym, że zawiera trzy płaszcze (3).

5. Zespół wymiennika według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera parzystą liczbę płaszczy, które połączone są płynowo parami, przy czym każda z par tworzy komorę wymiany ciepła.

6. Zespół wymiennika według jednego z zastrz. 3-5, znamienny tym, że płaszcze (3) połączone są ażurowymi grodziami (4).

7. Zespół wymiennika według zastrz. 1, znamienny tym, że płaszcze (3) zamknięte są na końcach pierścieniowymi deklami (5).

8. Zespół wymiennika według zastrz. 1, znamienny tym, że cylindryczna komora (1) na swych końcach posiada kolektory (2a) połączone z układem płaszczowym za pośrednictwem promieniście rozstawionych rur zasilających (7).

9. Zespół wymiennika według zastrz. 8, znamienny tym, że rur zasilających (7) jest sześć.

10. Zespół wymiennika według zastrz. 1, znamienny tym, że układ płaszczowy jest zamocowany wokół cylindrycznej komory (1) za pomocą promieniowych łączników (2).

11. Zespół wymiennika według zastrz. 10, znamienny tym, że są cztery promieniowe łączniki (2).

12. Zespół wymiennika według zastrz. 1, znamienny tym, że środki doprowadzające (6, 7, 10a) zawierają króciec doprowadzający (10a), przewód główny doprowadzający (6) oraz przewody rozprowadzające (7).

13. Zespół wymiennika według zastrz. 1, znamienny tym, że środki odprowadzające (8, 9, 10) zawierają przewody zbiorcze (8), przewód główny odprowadzający (9) oraz króciec odprowadzający (10).

14. Zespół wymiennika według zastrz. 1, znamienny tym że środki napędowe (100) stanowią silnik elektryczny poruszający wałem (11) wahliwie.

PL 243377 BI

15. Zespół wymiennika według zastrz. 14, znamienny tym, że silnik elektryczny (11) jest przystosowany do poruszania wałem (11) wahliwie w zakresie ±15° w okresie wynoszącym około 1 s.

16. Zespół wymiennika według zastrz. 1, znamienny tym, że środki napędowe (100) stanowią silnik wibracyjny.

17. Zespół wymiennika według zastrz. 16, znamienny tym, że silnik wibracyjny (100) jest przystosowany do poruszania wymiennikiem względem osi wału (11) z częstotliwością około 17 Hz i amplitudą około 2 mm.

18. Zespół wymiennika według zastrz. 16, znamienny tym, że jest wyposażony w stelaż (101) z płytą montażową (102), na której zamocowany jest silnik wibracyjny (100).