ИСПАРИТЕЛЬ ЗАТОПЛЕННОГО ТИПА Российский патент 1994 года по МПК F28D1/04 F25B39/02 

Изобретение относится к области холодильной техники, в частности, к теплообменной аппаратуре, и может быть использовано в нефтехимической, пищевой промышленности, в холодильном обеспечении систем кондиционирования воздуха.

Известны испарители для охлаждения жидких хладоносителей, состоящие из горизонтальных цилиндрических корпусов с прикрепленными к ним двумя трубными решетками, в которые закреплены трубы трубного пучка. Парожидкостная смесь от регулирующего органа подводится в испаритель снизу в межтрубное пространство, хладагент выкипает на нижней части, и пары его перегреваются на 1,5-5^о на верхней части теплообменной поверхности. Для устранения выноса капель хладагента из испарителя в компрессор фреоновые испарители оборудованы пластинчатыми сепараторами, установленными в значительном по величине пустом пространстве в верхней части корпуса испарителя. Аммиачные испарители оборудованы сепараторами капель в виде вертикальных цилиндров, установленных на верхней части корпуса и оснащенных каплеотбойными горизонтальными пластинами.

Недостатком данных испарителей является их низкая тепловая эффективность. Это обусловлено применением полного выкипания хладагента на теплообменной поверхности, что приводит к плохой смачиваемости хладагентом и к запариванию верхней части трубного пучка. Помимо этого, в данных испарителях, с целью исключения попадания капель хладагента в компрессор, применяется значительный перегрев паров на теплообменной поверхности испарителя (до 1,5-5^оС). Ввиду низкой эффективности теплообмена при конвективном перегреве пара требуется значительная дополнительная теплообменная поверхность, до 25-80% от общей.

Низкая тепловая эффективность испарителей обусловлена также малой скоростью движения и неравномерностью распределения хладагента в межтрубном пространстве пучка. Низкая скорость движения хладагента вызвана отсутствием циркуляции хладагента в трубном пучке. Неравномерное распределение хладагента по теплообменной поверхности обусловлено отсутствием в конструкции распределителей жидкого и парообразного хладагента по длине аппарата, что приводит к недостаточному заполнению хладагентом пучка или запариванию теплообменной поверхности, что снижает общий коэффициент теплопередачи испарителя.

Кроме этого, указанная конструкция испарителя обладает недостатком, заключающемся в повышенной трудоемкости регулировки питания испарителей хладагентом, опасности влажного хода компрессора и вероятности аварии при эксплуатации испарителей в режиме переменной тепловой нагрузки и их параллельной работы. Это обстоятельство вызвано отсутствием четко выраженного уровня заполнения корпуса испарителя жидким хладагентом, что не дает возможности использовать приборы автоматического поддержания уровня и питания испарителя хладагентом, вследствие чего при эксплуатации холодильных установок применятся ручная регулировка подачи хладагента в испарители с постоянным контролем отсутствия влажного хода компрессора обслуживающим персоналом.

Недостатком указанного испарителя является также то, что при эксплуатации холодильных компрессоров со всасыванием перегретого пара хладагента вместо насыщенного возрастает потребляемая мощность компрессора на 1-1,5%, что приводит к повышению эксплуатационных затрат.

Известна принятая за прототип конструкция испарителя, содержащая цилиндрический корпус, заполненный жидким хладагентом, в котором соосно и с зазором размещен кожух, выполняющий функции циркулятора хладагента в виде срезанного цилиндра, в котором размещен пучок горизонтальных труб. Цилиндр кожуха обращен срезом вверх с размещением верхних кромок по образующим, находящимся ниже максимального уровня жидкого хладагента. Для повышения надежности в эксплуатации срез цилиндра выполнен с вертикальными пазами, нижняя кромка которых расположена ниже минимального уровня жидкого хладагента. Конструкция предназначена для интенсификации теплообмена в испарителе, для снижения его металлоемкости за счет улучшения циркуляции хладагента путем разделения парового и жидкостного потока в верхней части пучка труб и возврата жидкого хладагента через зазор между корпусом и циркулятором в нижнюю часть испарителя.

Недостатком известного испарителя является то, что конструкция не позволяет существенно увеличить кратность циркуляции хладагента в теплообменном пучке (кратность циркуляции немногим больше единицы) ввиду незначительности по высоте столба жидкости над верхним срезом циркулятора. Увеличение по высоте столба жидкости над верхним срезом циркулятора невозможно ввиду необходимости организации перегрева паров хладагента на значительной доле теплообменной поверхности в верхней части трубного пучка испарителя, составляющей от 25 до 80% от общей поверхности в зависимости от величины перегрева пара.

Этими обстоятельствами обусловлена низкая тепловая эффективность известного испарителя.

Недостатками известного испарителя являются также: отсутствие распределителей хладагента по длине аппарата, что приводит к неравномерному распределению хладагента по поверхности теплообмена; повышенная трудоемкость регулировки питания испарителя вследствие невозможности использования автоматической системы питания; повышенная опасность влажного хода компрессора; повышенное энергопотребление компрессоров при работе с указанными аппаратами.

Цель изобретения - интенсификация теплообмена, повышение надежности.

Указанная цель достигается тем, что в испарителе затопленного типа, содержащем горизонтальный корпус с размещенными в нем трубными решетками, в которых закреплены пучки теплообменных труб и циркулятор жидкого хладагента, циркулятор выполнен в виде вынесенного на высоту Н, равную (0,5-3,0) D_и над корпусом испарителя, горизонтального аппарата, диаметр кожуха которого находится в пределах (0,5-1,0)D_и, испаритель дополнительно содержит два распределителя, размещенные в его корпусе по обе стороны пучка теплообменных труб, первый распределитель представляет собой две установленные под пучком теплообменных труб горизонтальные перфорированные пластины с дополнительным жидкостным и парожидкостным коллекторами, закрепленными на наружной поверхности корпуса испарителя, коллекторы имеют равномерно размещенные по длине первого распределителя патрубки ввода жидкостной и парожидкостной фаз, которые расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях, жидкостной коллектор соединен патрубком с кожухом циркулятора, а второй распределитель представляет собой камеру статического давления, размещенную над пучком теплообменных труб и отделенную от него перфорированной перегородкой, циркулятор сообщен со вторым распределителем двумя патрубками, размещенными в его противоположных концах. Циркулятор снабжен в нижней части успокоителем жидкости в виде подставки, представляющей собой перфорированный лист, установленный на усеченных перфорированных сегментах, емкостью для сбора жидкого хладагента, сепараторами, установленными за входными отверстиями по ходу парожидкостной смеси, жидкостной патрубок, соединяющий циркулятор с жидкостным коллектором, снабжен обратным клапаном. Циркулятор дополнительно снабжен перегородками, одна из которых закреплена на подставке, а другая на верхней внутренней части корпуса циркулятора, перед патрубком отвода паров хладагента в верхней части циркулятора установлен элиминатор. Циркулятор дополнительно снабжен валом с приводом, например от электродвигателя, а сепараторы закреплены на валу.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен испаритель с распределителями, расположенными внутри корпуса испарителя, общий вид; на фиг. 2 - испаритель, вид слева; на фиг.3 - циркулятор жидкого хладагента, у которого вращение насадок осуществляется от электродвигателя.

Испаритель содержит горизонтальный цилиндрический корпус 1, трубные решетки 2, в которых закреплен пучок теплообменных труб 3, крышки 4, первый распределитель 5, состоящий из перфорированных пластин 6 и 7, дополнительного жидкостного коллектора 8 с патрубками ввода 9, дополнительного парожидкостного коллектора 10 с патрубками ввода 11, патрубки ввода 9 и 11 расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях, второй распределитель представляет собой камеру статического давления 12, отделенную от трубного пучка перфорированной пластиной 13. Циркулятор 14 выполненный в виде вынесенного на высоту Н, равную (0,5-3,0)D_и над корпусом испарителя, горизонтального аппарата, диаметр кожуха которого находится в пределах (0,5-1,0)D_и, соединен со вторым распределителем двумя патрубками 15, которые размещены таким образом, чтобы через входное отверстие 16 исключалось прямое попадание парожидкостной смеси на сепараторы 17, с нижней стороны кожуха циркулятора закреплена емкость для сбора жидкого хладагента 18, соединенная патрубком 19 с дополнительным жидкостным коллектором первого распределителя 8 через обратный клапан 20. Внутри циркулятора установлена подставка 21, выполняющая роль успокоителя уровня жидкости, представляющая собой перфорированный лист 22, установленный на усеченных перфорированных сегментах 23. На циркуляторе установлена система автоматического регулирования уровня заполнения 24, в верхней части циркулятора установлен патрубок отвода паров хладагента 25. Циркулятор 14 дополнительно содержит перегородки 26, одна из которых закреплена на подставке, а другая на верхней внутренней части корпуса циркулятора, перед патрубком отвода паров хладагента 25 в верхней части циркулятора 14 установлен элиминатор 27. Циркулятор 14 дополнительно снабжен валом 28 с приводом 29, например, от электродвигателя, а сепараторы 17 могут быть закреплены на валу 28 или на перегородках 26.

Испаритель работает следующим образом. Парожидкостная смесь от дросселирующего органа 30 через коллектор 10 поступает в среднюю часть первого распределителя 5, где смешивается с поступающим в перпендикулярном направлении снизу жидким хладагентом, который подведен от сборника жидкости 18 циркулятора 14 через жидкостной трубопровод 19, обратный клапан 20 и жидкостной коллектор 8, смешавшаяся парожидкостная смесь равномерно по длине испарителя поступает в трубный пучок 3. Проходя в пучке, хладагент частично испаряется и поступает в камеру статического давления 12, где равномерно распределяется, и через два трубопровода 15 поступает в диаметральное сечение циркулятора 14, где происходит разделение парожидкостной смеси на фракции; жидкость стекает через успокоители уровня 21 в сборники жидкости 18, а пар проходя через сепараторы 17, где пар освобождается от крупных капель жидкого хладагента, и через элиминатор 27 тонкой очистки сетчатого или струнного типа, практически полностью освобождается от мелких капель хладагента и поступает в насыщенном состоянии во всасывающую линию компрессора. Система питания испарителя саморегулируемая ввиду стабильного независимого от нестационарности тепловых нагрузок, уровня залива хладагентом сборника жидкости 18. При параллельной работе испарителя и при наличии пиковых тепловых нагрузок это существенно улучшает безопасность холодильных систем. Выполнение циркулятоpа 14 в виде горизонтального цилиндра, установленного на высоте Н, равной (0,5-3,0) D_и над корпусом испарителя позволяет обеспечить наиболее рациональную кратность циркуляции хладагента (1,2-3,5) в трубном пучке, исключить необходимость перегрева паров хладагента, повысить интенсивность процесса кипения и, несмотря на определенное увеличение температуры кипения вследствие влияния столба жидкого хладагента, существенно повысить коэффициент теплопередачи (на 140-400%). Высота установки циркулятора Н определяется из оптимизационного расчета, учитывающего увеличение интенсивности теплообмена с ростом высоты Н, вызванной увеличением скорости движения хладагента в трубном пучке, а также уменьшение плотности теплового потока, вызванное снижением температурного напора хладоноситель - хладагент из-за увеличения температуры кипения, которая падает с ростом столба жидкого хладагента. Высота установки циркулятора Н в основном определяется типом хладагента, рабочей температурой кипения и геометрическими характеристиками пучка, паровых и жидкостных трубопроводов. Корпус циркулятора имеет диаметр (0,5-1,0)D_и, что позволяет для различных хладагентов, с условием поводки парожид- костной смеси к противолежащим концам циркулятора, осуществить надежное каплеосаждение из встречных потоков пара хладагента в гравитационном режиме. Организация встречных потоков пара на 40% снижает диаметр циркулятора. Исключение прямого попадания парожидкостной смеси на сепараторы позволяет в 2 раза сократить скорость парожидкостной смеси на выходе из труб и тем самым улучшить отделение жидкой фракции от парообразного хладагента на стенках корпуса циркулятора. Успокоитель уровня жидкости в виде подставки для сепараторов, представляющий собой перфорированный лист 22, установленный на усеченных перфорированных сегментах 23, служит для улучшения работы питающих регуляторов уровня, разделяет нижнюю зону циркулятора, заполненную жидким хладагентом, от паровой зоны, где происходит отделение капель хладагента из парового потока. Емкость для сбора жидкого хладагента 18 служит для уменьшения частоты срабатывания питающих электромагнитных соленоидных вентилей в системе автоматического регулирования 24 и тем самым - повышения их надежности. Обратный клапан 20 на жидкостном трубопроводе 19 служит для исключения выброса парожидкостной смеси из нижней части испарителя в нижнюю часть циркулятора на пусковых режимах. Применение первого распределителя позволяет осуществить хорошую смешиваемость жидкостной и парожидкостной фаз и распределение по теплообменной поверхности испарителя, а также позволяет сократить среднюю плотность парожидкостной смеси в испарителе и тем самым увеличить кратность циркуляции по сравнению с питанием испарителя жидким хладагентом. Таким образом, появляется возможность исключить запаривание верхних рядов трубного пучка, исключается необходимость использовать теплообменную поверхность в малоэффективном процессе перегрева паров хладагента, увеличивается скорость движения парожидкостной смеси. Применение первого и второго распределителей, выполняющих соответственно роль камеры смешения и камеры статического давления, улучшает распределение хладагента по теплообменной поверхности, что позволяет поднять интенсивность теплообмена в испарителях холодильных машин в 1,4-4 раз.

Применение изобретения позволяет упростить регулирование питания испарителей ввиду того, что данная система с естественной циркуляцией хладагента со стабильным, автоматически регулируемым уровнем хладагента в циркуляторе независимо от внешних условий, является саморегулирующейся.

Применение испарителя значительно повышает безопасность эксплуатации холодильных систем, позволяет существенно повысить эффективность теплообмена и уменьшить трудоемкость при эксплуатации.

Испаритель позволяет интенсифицировать теплообмен за счет увеличения скорости движения холодильного агента по теплообменной поверхности и использовать всю теплообменную поверхность в режиме развитого кипения, т.к. применение циркулятора данной конструкции, вынесенного на высоту Н, равную (0,5 - 3) диаметра испарителя Д_и , позволяет увеличить кратность циркуляции холодильного агента до 1,2 - 3,5, применение первого и второго распределителей, размещенных по обе стороны трубного пучка, позволяет улучшить распределение хладагента по теплообменной поверхности. Выполнение циркулятора вынесенным позволяет автоматизировать питание испарителя на всех режимах его работы. Циркулятор жидкого хладагента содержит вертикально установленные за входными отверстиями по ходу парожидкостной смеси сепараторы, закрепленные на подставке, выполняющей роль успокоителя уровня жидкости и представляющей собой перфорированный лист, установленный на усеченных перфорированных сегментах, а перед патрубком отвода паров хладагента установлен элиминатор. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. ИСПАРИТЕЛЬ ЗАТОПЛЕННОГО ТИПА, содержащий горизонтальный корпус с размещенными в нем трубными решетками, в которых закреплены пучки теплообменных труб и циркулятор жидкого хладагента, отличающийся тем, что, с целью интенсификации теплообмена, циркулятор жидкого хладагента выполнен в виде вынесенного на высоту H, равную (0,5 - 3,0) диаметра испарителя D_и, над корпусом испарителя горизонтального аппарата, диаметр кожуха которого находится в пределах (0,5 - 1,0)D_и, испаритель дополнительно содержит два распределителя, размещенные в его корпусе по обе стороны пучка теплообменных труб, причем первый распределитель представляет собой две установленные под пучком теплообменных труб горизонтальные перфорированные пластины с дополнительными жидкостным и парожидкостным коллекторами, закрепленными на наружной поверхности корпуса испарителя, коллекторы имеют равномерно размещенные по длине первого распределителя патрубки ввода жидкостной и парожидкостной фаз, которые расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях, жидкостной коллектор соединен патрубком с кожухом циркулятора, а второй распределитель представляет собой камеру статического давления, размещенную над пучком теплообменных труб и отделенную от него перфорированной перегородкой, циркулятор сообщен с вторым распределителем двумя патрубками, размещенными в его противоположных концах. 2. Испаритель по п.1, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности за счет автоматизации питания испарителя и устранения уноса жидкого хладагента в компрессор, циркулятор снабжен в нижней части успокоителем жидкости в виде подставки, представляющей собой перфорированный лист, установленный на усеченных перфорированных сегментах, емкостью для сбора жидкого хладагента, сепараторами, установленными за входными отверстиями по ходу парожидкостной смеси, жидкостной патрубок, соединяющий циркулятор с жидкостным коллектором, снабжен обратным клапаном. 3. Испаритель по п.2, отличающийся тем, что циркулятор дополнительно снабжен перегородками, одна из которых закреплена на подставке, а другая на верхней внутренней части корпуса циркулятора, перед патрубком отвода паров хладагента в верхней части циркулятора установлен элиминатор. 4. Испаритель по п.2, отличающийся тем, что циркулятор дополнительно снабжен валом с приводом, например, от электродвигателя, а сепараторы закреплены на валу.