Вихревой воздухоохладитель с непрерывным удалением инея

Изобретение предназначено для охлаждения воздуха и может быть использовано в камерах холодильников при отрицательных температурах. Воздухоохладитель содержит вихревые теплообменники, трубы вихревых теплообменников, внутри которых движется охлаждаемый воздух, завихрители, привод очистных механизмов, включающих в себя размещенный внутри упомянутых труб полый приводной вал с продольным пазом по всей его длине, внутри которого установлен неподвижный винт с гайкой, связанный шпонкой со свободно размещенной на валу втулкой, укрепленные на последней щеткодержатели со щетками, объединяющий воздуховод и вентилятор. На наружной поверхности труб вихревых теплообменников размещены желоба, внутри которых циркулирует холодильный агент. Вихревые теплообменники выполнены с коэффициентом оребрения, изменяющимся в соответствии соотношением

где D - диаметр трубы; n - количество желобов; l - ширина желоба, которые в свою очередь изменяются в пределах: D=50-800 мм; l=20-150 мм, а высота желоба l₁=3-40 мм; толщина стенки трубы δ=1-8 мм и толщина стенки желоба δ=1-5 мм. Изобретение обеспечивает непрерывность работы воздухоохладителя, снижение затрат на производство холода, упрощение конструкции и эксплуатации и увеличение надежности работы. 5 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Изобретение относится к холодильной технике и может быть использовано на распределительных холодильниках, холодильниках мясной и плодоперерабатывающей промышленности.

Известны вихревые воздухоохладители с непрерывным удалением инея, где воздух в каждом элементе воздухоохладителя завихряется специальным осевым вентилятором (см. а.с. №235049, СССР).

Наличие большого количества элементов требует соответствующего количества осевых вентиляторов, что в условиях эксплуатации в холодильных камерах с влажным воздухом связано с частым выходом из строя электродвигателей вентиляторов. Поэтому целесообразными являются воздухоохладители с минимально возможным количеством вентиляторов.

Прототипом является вихревой воздухоохладитель с устройством для удаления инея с внутренней поверхности труб по а.с. SU 1808111, F 25 D 21/06, 07.04.1993 г.

Вихревой воздухоохладитель представляет собой теплообменник в виде трубы, снаружи которой устроены желоба или рубашка, внутри которых кипит холодильный агент. На входе в трубу установлен специальный осевой вентилятор, закручивающий поток воздуха. Закрученный поток воздуха движется внутри трубы и охлаждается. При охлаждении влажного воздуха в камерах холодильников при отрицательных температурах из него выпадает на холодную внутреннюю поверхность трубы влага в виде кристаллов инея. Осевший на внутренней поверхности трубы иней ухудшает теплопередачу, что влечет за собой дополнительные энергетические затраты.

Для удаления инея с внутренней поверхности трубы внутри ее смонтировано устройство, содержащее приводной вал, установленный с возможностью взаимодействия с ним пару винт - гайка, щеткодержатель, включающий сообщенные с валом подпружиненные поворотные пластины и шарнирно установленные на них подпружиненные планки с обоймами и щетками. Кроме того, устройство снабжено дополнительным щеткодержателем, опорным средством и центрирующими приспособлениями для вала, при этом щеткодержатели и центрирующие приспособления расположены на концах вала. Каждое центрирующее приспособление содержит укрепленные на валу стержни с роликами, установленными с возможностью качения по внутренней поверхности трубы.

Устройство выполнено таким образом, что один щеткодержатель на каждом конце вала укреплен на стержне центрирующего приспособления с обеспечением возможности расположения щетки при вращении впереди ролика.

Недостатком вихревого воздухоохладителя с непрерывным удалением инея является то, что при сравнительно большой его длине вал очистного устройства прогибается, что затрудняет его работу и, кроме того, на каждом теплообменнике необходимо устанавливать свой осевой вентилятор.

Кроме того, на небольшой длине трубы неэкономично используется завихрение воздуха, которое значительно интенсифицирует теплообмен по сравнению с прямоточным движением воздуха в трубе. Поэтому с энергетической точки зрения вихревое движение воздуха в более длинных трубах для теплообмена более выгодно.

Далее, в зависимости от условий эксплуатации возникает потребность изменять характеристики вихря (начальный угол введения потока воздуха в трубу), что при завихрении потока воздуха лопастями осевого вентилятора обходится значительно дороже, чем специальными завихрителями. Следует также отметить, что механизм очистки является довольно сложным. В основу изобретения поставлена задача усовершенствования "Вихревого воздухоохладителя с непрерывным удалением инея" путем интенсификации теплообмена, снижения капитальных и энергетических затрат и упрощения конструкции.

Поставленная задача решается тем, что в "Вихревом воздухоохладителе с непрерывным удалением инея", содержащем вихревые теплообменники, внутри которых движется охлаждаемый воздух, завихрители, привод очистных механизмов инея, включающий в себя размещенный внутри упомянутой трубы полый приводной вал с продольным пазом по всей его длине, внутри которого установлен неподвижный винт с гайкой, связанный шпонкой со свободно размещенной на валу втулкой, и укрепленной на последней щеткодержатель со щетками, согласно изобретению он содержит объединяющий воздуховод и вентилятор, с наружной поверхности трубы вихревых теплообменников размещены желоба, внутри которых циркулирует холодильный агент, при этом вихревые теплообменники выполнены с коэффициентом оребрения, изменяющимся в соответствии с соотношением:

,

где D - диаметр трубы; n - количество желобов: l - ширина желоба, которые, в свою очередь, изменяются в пределах D=50-800 мм; l=20-150 мм, а высота желоба l₁=3-40 мм; толщина стенки трубы δ=1-8 мм и толщина стенки желоба δ=1-5 мм.

Воздухоохладитель оснащается специальными завихрителями с закручивающими лопастями и с сердечником с соотношением диаметров, равным D/d≤10, и с углами установки закручивающих лопастей (угол между направлением движения потока воздуха и образующей трубы) на входе потока воздуха α=0-70° и на выходе потока воздуха β=20-70°, позволяющим производить эффективное завихрение потока воздуха на длине трубы, равной L/D≤60, где L - длина трубы, D - диаметр трубы, d - диаметр сердечника завихрителя.

Для удобства сборки очистного устройства инея приводной вал и винт выполнены из отдельных частей, а для уменьшения прогиба приводного вала и обеспечения работоспособности очистного устройства внутри трубы установлена промежуточная опора.

Для предотвращения вращения винта и рассоединения его во время работы, последний крайними концами квадратного сечения установлен в опорах с квадратными отверстиями, причем одна из опор является съемной.

Соединение валов осуществляется шлицевой муфтой, а соединение винтов винтовой муфтой.

При сходе гайки с винта механизма очистки инея, и снова для ее зацепления с винтом, при изменении направления вращения вала, на обоих концах винта установлены сжимающиеся пружины, которые создают осевое усилие и способствуют нормальной работе механизма.

Для упрощения конструкции очистного устройства инея, последнее выполнено в виде сжатой пружины, одним концом укрепленной на втулке, а на втором - снабженной щеткодержателем со щеткой.

Для обслуживания механизма очистки и промежуточных опор посредине вихревых теплообменников имеются смотровые люки с крышками.

Следует отметить, что коэффициент оребрения вихревых теплообменников изменяется в значительном диапазоне γ=1-10.

Это вызвано большим количеством вариантов, которые имеют место в условиях эксплуатации, а именно: различные холодильные агенты (аммиак, фреоны, рассолы хлористого кальция и хлористого натрия), условия прочности и плотности теплообменников, материалы из которых могут быть выполнены теплообменники (черная сталь, нержавеющая сталь, алюминиевые сплавы, которые имеют значительные различия коэффициентов теплопроводности), влияние тепловлажностных параметров охлаждаемого воздуха (относительная влажность, температура), термогидравлические процессы, протекающие в желобах при движении и теплообмене холодильного агента.

Относительно завихрителей, где также даны значительные диапазоны изменения геометрических параметров, необходимо подчеркнуть, что эти данные получены в результате проведенных научно-исследовательских работ, направленных на получение оптимальных энергетических характеристик для процессов, имеющих место в промышленных условиях.

На фиг.1 показан общий вид воздухоохладителя. На фиг.2 показано поперечное сечение теплообменника. На фиг.3 и 4 показан завихритель в двух проекциях, на фиг.5 показана развертка сердечника с лопастями. На фиг.6 показан механизм очистки инея с внутренней поверхности трубы вихревого теплообменника, на фиг.7 показано поперечное сечение механизма очистки.

Вихревой воздухоохладитель включает раму 1, приводную звездочку 2, вал 3, завихритель 4, крышки люков 5, промежуточную опору 6, теплообменник 7, объединяющий воздуховод 8, центробежный вентилятор 9 с электродвигателем 10, установочную раму 11, опоры 12, очистные механизмы 13, привод очистных механизмов 14, винты 15, трубы 16, желоба 17, завихряющие лопасти 18, сердечник завихрителя 19, наружную обечайку завихрителя 20. В свою очередь механизм очистки инея, размещенный внутри трубы 16, включает полый вал 3 с продольным пазом 21 по всей его длине, внутри которого установлен неподвижный винт 15 с гайкой 22, связанной шпонкой 23 со свободно размещенной на валу 3 втулкой 24. К втулке 24 приварены цилиндрические стержни 25, на которые насажены пружины 26. На другом конце пружины установлен щеткодержатель 27 со щеткой 28. К втулке 24 через 120° прикреплены планки 29 с роликами 30, которые центрируют ее на валу 3. Механизм имеет три подшипника 31, четыре пружины 32, две опоры с квадратными отверстиями 33, винтовую муфту 34, шлицевое соединение двух частей вала 35, промежуточный подшипник скольжения 36, установленный на промежуточной опоре 6, две гайки 37, втулки для подшипников 38 и 39.

Вихревой воздухоохладитель работает следующим образом. Воздух из холодильной камеры через завихрители 4 и вихревые теплообменники 7 засасывается центробежным вентилятором 9. При прохождении потока воздуха через завихритель, последний закручивается, и в виде вихря движется внутри трубы вихревого теплообменника. Вихревое движение способствует увеличению коэффициента теплоотдачи от воздуха к поверхности трубы более чем в два раза по сравнению с прямолинейным потоком при одинаковых энергозатратах на привод центробежного вентилятора. На наружной поверхности трубы 16 наварены желоба 17, внутри которых циркулирует холодильный агент, охлаждающий воздух. Пройдя вихревые теплообменники холодный воздух через объединяющий воздуховод 8, засасывается центробежным вентилятором 9 и выбрасывается в камеру. Вентилятор приводится в действие электродвигателем 10.

Воздухоохладитель установлен на раме 11. Вихревые теплообменники 7 установлены друг над другом на опорах 12. Внутри каждого вихревого теплообменника установлено очистное устройство инея с внутренней поверхности трубы 16. Очистное устройство инея приводится во вращение от привода 14 посредством цепной передачи и звездочек 2. Звездочки 2, насаженные на полый вал 3, приводят его во вращение вокруг неподвижного винта 15, установленного на раме 1.

Посредине трубы вихревого теплообменника имеется люк 5 с крышкой для обслуживания промежуточной опоры 6 и механизма очистки.

Завихритель для воздуха выполнен из обечайки 20, сердечника 19 и закручивающих лопастей 18. Левая часть (см. фиг.3) сердечника выполнена в виде усеченного конуса, а обечайка имеет плавный коллектор, что все вместе способствует уменьшению сопротивления потоку воздуха при входе его в завихритель.

При прохождении закрученного теплого и влажного потока воздуха через трубу 16 на ее внутренней поверхности, в результате охлаждения выпадает влага в виде инея (при температуре ниже нуля градусов), который значительно уменьшает, коэффициент теплопередачи, а следовательно, и тепловой поток. При достаточно длительном промежутке времени иней значительно уменьшает тепловой поток и воздухоохладитель становится неработоспособным. Для восстановления работы существующих оребренных воздухоохладителей необходимо производить оттайку, что связано с нарушением режима охлаждения и трудовыми затратами. В вихревом, предлагаемом, воздухоохладителе удаление инея осуществляется с помощью механизма очистки.

Иней с внутренней поверхности трубы снимается щетками 28, размещенными в щеткодержателе 27. В свою очередь щеткодержатель 27 установлен внутри сжатой пружины 26. Второй конец сжатой пружины установлен на стержень 25. Сжатая пружина всегда обеспечивает надежный контакт щетки 28 с внутренней поверхностью трубы. Стержень 25 приварен к втулке 24. Вращательное и осевое перемещение щеткам передается от втулки 24, которая вращается вместе с полым валом 3 и движется в осевом направлении в результате ее жесткой связи через шпонку 23 с гайкой 22, сопряженной с винтом 15. Шпонка 23 перемещается в осевом направлении по профрезерованному (по всей длине) продольному пазу 21 вала 3.

Изменение направления вращения (реверс) изменяет направление осевого перемещения гайки 22, а следовательно, втулки 24 и щеток 28. Для ликвидации трения между втулкой и полым валом 3, а также ее перекосов к ней приварены через 120° планки 29 с роликами 30, которые центрируют ее на валу и значительно уменьшают усилия для перемещения.

Жесткая связь планок 29 с роликами 30 и втулкой 24 и связь втулки посредством шпонки 23 с гайкой 22 препятствует трению гайки 22 о внутреннюю стенку на середине полого вала (максимальный прогиб винта), что также уменьшает сопротивление движению механизма очистки инея. На внутренней поверхности трубы 16 могут быть неровности и выступы в виде нарушения соосности при сварке труб в стык, наплывы и капли металла после сварки, которые создают значительные препятствия движению щеток. В этом случае наличие такого гибкого элемента как сжатая пружина 26 позволяет щеткам 28 пройти через все препятствия в результате возможного сжатия и изгибания пружины.

При использовании вихревых теплообменников большой длины полый вал и винт будут иметь значительный прогиб, что затрудняет его эксплуатацию. По этой причине вихревой теплообменник снабжен промежуточной опорой 6 с подшипником скольжения 36. Соединение полых валов выполнено в виде шлицевого соединения 35 (возможна и другая конструкция соединения). Винты 15 соединяются винтовой муфтой 34.

Для предотвращения проворачивания винтов и их рассоединения, их противоположные концы имеют квадратное сечение и входят в квадратные отверстия опор 33. Винты фиксируются в опорах гайками 37.

При несрабатывании реверса (не показан) в крайних положениях щеток в трубе и предотвращения поломки механизма очистки на определенной длине винта отсутствует резьба, что позволяет гайке сойти с резьбы и больше не перемещаться в осевом направлении, вращаясь при этом. В этом случае гайка производит сжатие пружины 32, испытывая осевое усилие. При изменении направления вращения пружина своим усилием способствует зацеплению гайки с винтом и работа механизма очистки восстанавливается. Привод полого вала осуществляется звездочкой 2, которая на шпонке установлена на втулке подшипника 38, а втулка жестко связана с полым валом. Второй конец полого вала установлен на втулке 39. С учетом условий требуемых холодильной технологией, использование тех или иных холодильных агентов (рассол, аммиак, фреоны), условий прочности, диктуемых правилами техники безопасности, металлов, используемых для изготовления (сталь обыкновенная и нержавеющая, алюминиевые сплавы, медь и др.), также условий теплопередачи геометрические параметры вихревых теплообменников могут претерпевать значительные изменения.

Основные характеристики вихревых теплообменников приведены на фиг.1 и 2 - сечение А-А, а завихрителей - на фиг.3-5.

При использовании вихревых воздухоохладителей с устройством для удаления инея с внутренней поверхности трубы значительно улучшаются условия работы холодильных камер, так как отпадает необходимость в проведении оттаек, сокращается цикл термической обработки пищевых продуктов и снижается стоимость воздухоохладителя по сравнению с серийными ребристо-трубными воздухоохладителями.

1. Вихревой воздухоохладитель с непрерывным удалением инея, содержащий вихревые теплообменники, трубы вихревых теплообменников, внутри которых движется охлаждаемый воздух, завихрители, привод очистных механизмов, включающих в себя размещенный внутри упомянутых труб полый приводной вал с продольным пазом по всей его длине, внутри которого установлен неподвижный винт с гайкой, связанный шпонкой со свободно размещенной на валу втулкой, и укрепленные на последней щеткодержатели со щетками, отличающийся тем, что он содержит объединяющий воздуховод и вентилятор, а на наружной поверхности труб вихревых теплообменников размещены желоба, внутри которых циркулирует холодильный агент, при этом вихревые теплообменники выполнены с коэффициентом оребрения, изменяющимся в соответствии с соотношением где D - диаметр трубы; n - количество желобов; l - ширина желоба, которые в свою очередь изменяются в пределах: D=50-800 мм; l=20-150 мм, а высота желоба l₁=3-40 мм; толщина стенки трубы δ=1-8 мм и толщина стенки желоба δ=1-5 мм.

2. Вихревой воздухоохладитель по п.1, отличающийся тем, что завихрители содержат закручивающие лопасти и сердечник и выполнены с соотношением диаметров D/d≤10, углы установки закручивающих лопастей по отношению к образующей изменяются на входе потока воздуха в завихритель α=0-70 и на выходе потока воздуха из завихрителя β=20-70, а длина вихревого теплообменника выполнена в соответствии с соотношением L/D≤60, где L - длина теплообменника; d - диаметр сердечника завихрителя.

3. Вихревой воздухоохладитель по п.1, отличающийся тем, что для предотвращения прогиба полого вала посредине теплообменника установлена промежуточная опора.

4. Вихревой воздухоохладитель по п.1, отличающийся тем, что неподвижный винт на концах выполнен с квадратным сечением и установлен на опорах с квадратными отверстиями.

5. Вихревой воздухоохладитель по п.1, отличающийся тем, что при сходе гайки с винта и при реверсе полого вала на концах винта установлены пружины, вводящие в зацепление гайку с винтом.

6. Вихревой воздухоохладитель по п.1, отличающийся тем, что щеткодержатели со щетками установлены в сжатых пружинах, а пружины - на стержнях, которые жестко прикреплены к втулке.