ТЕПЛООБМЕННЫЙ АППАРАТ Российский патент 1995 года по МПК F28D15/02 

Изобретение относится к теплотехнике и может быть применено для осуществления теплообмена между двумя средами с применением жидкого промежуточного теплоносителя. Предлагаемый аппарат может быть использован в химической и нефтехимической промышленности.

Известно устройство для осуществления теплообмена между двумя средами с применением жидкого промежуточного теплоносителя, включающее корпус, теплообменники, вставку, разделяющую зоны нагрева и охлаждения, сопло для подвода газа (а. с. N 220283, кл. F 28 C 3/02, 1968). Недостатками устройства являются низкий коэффициент теплопередачи, значительные габариты и масса.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство, описанное в а.с. N 601556, кл. F 28 D 15/00, 1979. Устройство содержит герметичный корпус, заполненный промежуточным теплоносителем. В крышке корпуса размещено сопло, через которое подается нагретый газ. В теплоносителе размещен трубчатый змеевик, в котором циркулирует хладагент. С целью побуждения конвекции зона нагрева отделена от зоны охлаждения при помощи вставки, которая снабжена штуцерами для подвода и отвода газа.

Недостатками устройства являются его сложность и необходимость наличия внешней вакуумной установки и, как следствие, его высокая стоимость. Низкой является эффективность устройства, так как степень турбулизации и скорость циркуляции жидкости недостаточны для обеспечения эффективной теплопередачи от нагревающего газа к трубчатым теплообменникам, размещенным в жидком теплоносителе. Значительная масса теплоносителя приводит к большой тепловой инерции теплообменного аппарата.

Целью изобретения является интенсификация теплопередачи, уменьшение тепловой инерции и упрощение конструкции.

Цель достигается тем, что в теплообменном аппарате, содержащем частично заполненный жидким теплоносителем корпус со встроенными в стенки трубчатыми змеевиками, снабженный штуцерами подвода и отвода газа, коаксиально установленную в нем вставку и устройство для побуждения конвекции теплоносителя, последнее выполнено в виде газо-жидкостной турбины, рабочее колесо которой размещено на поверхности теплоносителя и выполнено в виде поплавка в форме полого кольца, снабженного лопатками, расположенными на поверхности и в объеме жидкого теплоносителя, а лопатки направляющего аппарата турбины соединены со штуцером подвода и гидротормоза, размещенного в нижней части корпуса и выполненного в виде набора радиально расположенных неподвижных пластин, при этом вставка выполнена в виде тела вращения трапеции вокруг оси, расположенной со стороны меньшего основания параллельно ему, пространство между стенками этого тела заполнено теплоизолятором, а верхняя часть его гофрирована и снабжена стержневыми турбулизаторами.

Вращение турбины приводит к вращению массы теплоносителя внутри корпуса теплообменного аппарата. Интенсифицируется теплоотдача от теплоносителя к элементам теплообменников, размещенных внутри корпуса теплообменного аппарата. Вследствие торможения жидкости на пластинах гидротормоза в нижней части корпуса скорость вращения жидкости и центробежная сила равны нулю. Это приводит к возникновению градиента давления в вертикальном направлении в слое жидкости, прилегающем к боковой поверхности корпуса, и циркуляции жидкости по кольцевой траектории. Жидкий теплоноситель опускается в пристеночном слое вниз и поднимается в центре вверх навстречу потоку газа. Скорость циркуляции увеличивается также благодаря изгибу пластин, подающих жидкий теплоноситель из пристеночного слоя в нижнюю часть корпуса при вращении пластин в пространстве, образованном цилиндрической стенкой корпуса и вставкой. Низкая теплопроводность материала конической части вставки позволяет интенсивнее нагревать жидкость в тонком слое между потоком нагревающего газа и конической поверхностью вставки, что способствует увеличению скорости конвекции теплоносителя. Коническая часть вставки гофрированной с целью турбулизации промежуточного теплоносителя и снабжена турбулизаторами, увеличивающими коэффициент теплоотдачи от газа к жидкому теплоносителю. Внутренняя полость вставки заполнена теплоизолирующим материалом, имеющим низкую плотность, что уменьшает массу и тепловую инерцию аппарата.

При патентном поиске устройств со сходными признаками не обнаружено, что позволяет говорить о существенности отличий заявляемого решения.

На чертеже показана схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит корпус 1, заполненный промежуточным теплоносителем 2. Внутри корпуса 1 размещено устройство для побуждения конвекции, выполненное в виде турбины, рабочее колесо которой размещено на поверхности промежуточного теплоносителя 2, и включает газовые лопатки 3, выполненный в виде полого кольца поплавок 4, снабженный лопатками 5, а лопатки направляющего аппарата 6 соединены со штуцером 7 подвода газа. В нижней части корпуса 1 размещены неподвижные пластины гидротормоза 8. В центральной части корпуса 1 размещены теплообменники 9 с циркулирующим в них теплоносителем и вставка 10. Внутренняя полость вставки 10 заполнена теплоизолирующим пеноматериалом 11. Отработавший газ отводится через штуцер 12. С целью турбулизации газа на конической части вставки 10 размещены турбулизаторы 13, выполненные в виде стержней круглого или прямоугольного сечения.

Теплообменный аппарат работает следующим образом.

Через штуцер 7 подают нагревающую среду (газ) в корпус 1. Газ в теплоносителе 2 образует воронку А, отдавая ему тепловую энергию. При обтекании газом турбулизаторов 13 образуются вихри, значительно увеличивающие коэффициент теплоотдачи от газа к жидкому теплоносителю 2, образующему воронку А. Из воронки А газ проходит через лопатки направляющего аппарата 6 и попадает на лопатки 3 рабочего колеса турбины, которые начинают вращаться вместе с поплавком 4 и соединенными с ним лопатками 5. Лопатки 5 приводят во вращательное движение теплоноситель 2, находящийся в пространстве между корпусом 1 и цилиндрической частью вставки 10. Одновременно теплоноситель 2 лопатками 5 отбрасывается вниз, на лопатки гидротормоза 8. В результате наличия градиента окружной скорости и центробежной силы в вертикальном направлении, вследствие тормозящего воздействия лопаток 8, давление в пристеночном слое жидкого теплоносителя 2 больше давления в нижней части корпуса 1 и в центральной его части, что способствует увеличению скорости циркуляции теплоносителя 2. При обтекании теплоносителем 2 конической части вставки 10 и трубулизаторов 13 в слое жидкости, контактирующей с газом, находящимся в воронке А, формируются вихри, интенсифицирующие теплообмен между газом и жидким теплоносителем.

Новое устройство в сравнении с известным обеспечивает следующие преимущества.

Увеличивается поверхность теплообмена между жидкостью и газом (поверхность воронки А), так как при прочих равных условиях в предлагаемом техническом решении вследствие перепада давления на лопатках 3, 6 давление газа в воронке А всегда больше давления газа в полости Б.

Увеличивается коэффициент теплоотдачи от газа к жидкости в воронке А вследствие повышения давления газа в воронке А и образования вихрей при обтекании турбулизаторов 13 и гофрированной поверхности вставки 10.

Увеличивается коэффициент теплоотдачи от жидкого теплоносителя к поверхности теплообменников 9 вследствие интенсификации движения теплоносителя при вращении лопаток 5.

Увеличивается эффективность теплопередачи от газа к среде теплообменников 9 из-за интенсификации движения теплоносителя из зоны нагрева в воронке А в пристеночный слой к теплообменникам 9. Жидкий теплоноситель подается в нижнюю часть корпуса 1 лопатками 5. Наличие лопаток гидротормоза 8, а также применение для гофрированной части оболочки материала с низкой теплопроводностью способствуют увеличению скорости циркуляции жидкости.

Уменьшается тепловая инерция аппарата вследствие того, что внутренняя полость вставки 10 заполнена теплоизолирующим пеноматериалом 11. Сокращается время выхода аппарата на рабочий режим.

Уменьшается масса аппарата при использовании материала 11, плотность которого меньше плотности жидкого теплоносителя.

Уменьшаются сложность и количество единиц вспомогательного оборудования, так как предлагаемое устройство не требует применения вакуумных насосов, вакуумных вентилей и т.д.

Уменьшаются габариты аппарата, так как в устройстве-прототипе значительные размеры обусловлены необходимостью поддержания разницы уровней теплоносителя в зонах нагрева и охлаждения.

Использование: в теплотехнике. Сущность изобретения: в стенку корпуса встроены змеевики. В корпусе установлена газожидкостная турбина. Рабочее колесо ее размещено на поверхности теплоносителя и выполнено в виде кольцевого поплавка. Последнее снабжено лопатками. Они расположены на поверхности и в объеме теплоносителя. Лопатки рабочего колеса турбины соединены со штуцером подвода газа и гидротормозом. Гидротормоз размещен в нижней части корпуса и выполнен в виде набора радиально расположенных неподвижных пластин. В корпусе коаксильно установлена вставка в виде тела вращения трапеции вокруг оси со стороны меньшего основания. Пространство между стенками вставки заполнено теплоизолятором. Верхняя часть ее гофрирована и снабжена стержневыми турбулизаторами. 1 ил.

ТЕПЛООБМЕННЫЙ АППАРАТ, содержащий частично заполненный жидким теплоносителем корпус со встроенными в стенки трубчатыми змеевиками, снабженный штуцерами подвода и отвода газа, устройством для побуждения конвекции теплоносителя и коаксиально установленную в нем вставку, отличающийся тем, что, с целью интенсификации теплопередачи, уменьшения тепловой инерции и упрощения конструкции, устройство для побуждения конвекции выполнено в виде газожидкостной турбины, рабочее колесо которой размещено на поверхности теплоносителя и выполнено в виде поплавка в форме полого кольца, снабженного лопатками, расположенными на поверхности и в объеме жидкого теплоносителя, а лопатки направляющего аппарата турбины соединены со штуцером подвода газа и гидротормозом, размещенным в нижней части корпуса и выполненным в виде набора радиально расположенных неподвижных пластин, при этом вставка выполнена в виде тела вращения трапеции вокруг оси, расположенной со стороны меньшего основания параллельно ему, пространство между стенками этого тела заполнено теплоизолятором, а верхняя часть его гофрирована и снабжена стержневыми турбулизаторами.