ТЕПЛООБМЕННЫЙ АППАРАТ Российский патент 1995 года по МПК F28C3/06 F28D1/04 

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

Известно устройство для осуществления теплообмена между двумя средами с применением жидкого промежуточного теплоносителя, включающее корпус, теплообенники, обечайку, разделяющую зоны нагрева и охлаждения, сопло для подвода газа.

Недостатками устройства являются низкий коэффициент теплопередачи устройства и значительные габариты и масса.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство, которое содержит герметичный корпус, заполненный промежуточным теплоносителем. В центре корпуса размещено сопло, через которое подается нагретый газ. В теплоносителе размещен трубчатый змеевик, в котором циркулирует хладагент. Зона нагрева отделена от зоны охлаждения при помощи обечайки, которая снабжена штуцерами для подвода и отвода газа.

Недостатками устройства являются его низкая эффективность, так как теплопередающая способность устройства невелика вследствие низкой скорости циркуляции жидкого теплоносителя, которая обусловлена только естественной конвекцией; недостаточно полное использование энергии подводимого газа; значительная масса и габаритные размеры; необходимость наличия внешней вакуумной установки.

Целью изобретения является повышение эффективности процесса теплопередачи за счет интенсификации теплообмена, уменьшение массы и габаритов теплообменного оборудования.

Поставленная цель достигается тем, что в теплообменном аппарате, содержащем корпус со штуцерами подвода и отвода газа, первый из которых связан с газовым соплом, размещенным в обечайке, коаксиально установленной в полости корпуса, заполненной теплоносителем, в стенке корпуса расположены трубчатые змеевики, и устройство для побуждения конвекции, последнее выполнено в виде размещенной между штуцером подвода газа и соплом газовой турбинки, соединенной механической связью с насосом, расположенным в нижней части обечайки, поверхность которой выполнена гофрированной, корпус покрыт теплоизоляцией и снабжен дополнительной стенкой, установленной по отношению к первой с образованием воздушного зазора, а штуцер подвода газа снабжен байпасной линией с регулирующим устройством.

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

Схема предлагаемого устройства показана на чертеже.

Теплообменный аппарат содержит герметичный корпус 1 с внутренней стенкой 2, заполненный промежуточным теплоносителем 3. По оси корпуса 1 размещен побудитель конвекции теплоносителя, состоящий из газовой турбинки 4, соединенной через вал 5 со шнековым насосом 6. Вал закреплен с возможностью вращения в подшипнике 7 и центрирующей втулке 8. Внутри корпуса размещены теплообменники 9 с циркулирующим хладагентом и цилиндрическая обечайка 10, разделяющая центральную и периферическую части корпуса 1. Внутри цилиндрической обечайки 10 размещен насос 6. Через штуцер 11, турбинку 4 и сопло 12 подают нагретый газ и в промежуточном теплоносителе образуется воронка 13. Газ отводится из корпуса 1 через штуцер 14. Корпус 1 покрыт слоем теплоизоляции 15. Магистраль байпаса 16 с вентилем 17 соединяет штуцер 11 с соплом 12 в обходи турбинки 4.

Устройство работает следующим образом.

Через штуцер 11 направляют нагревающую среду (азот) при температуре 300^оС в корпус 1. Азот отдает часть энергии турбинке 4 возбудителя конвекции, которая через вал 5 приводит во вращение шнековый насос 6. Вал 5 вращается в подшипнике 7 и втулке 8. Перепад давлений на турбинке 4 задают, например, 0,3 МПа, частота вращения турбинки 4 составляет 100-120 об/мин и более. При увеличении перепада давлений и уменьшении диаметра рабочего колеса частота вращения увеличивается. Через сопло 12 азот направляют на поверхность промежуточного теплоносителя 3 (трансформаторное масло), на которой образуется воронка 13. Осуществляется передача энергии в микрофизической форме. Из зоны нагрева между конической частью обечайки 10 и воронкой 13 теплоноситель 3 поступает в зону охлаждения в периферическую часть корпуса 1, где расположены теплообменники 9, воспринимающие тепловую энергию от теплоносителя 3. Охлажденный теплоноситель в нижней части корпуса 1 поступает в цилиндрическую часть обечайки 10 на вход насоса 6. Принудительная циркуляция теплоносителя обеспечивает значительное увеличение коэффициента теплоотдачи при контакте сред и промежуточного теплоносителя. Величину теплового потока регулируют при помощи вентиля 17. При открытом вентиле 17 газ направляется по магистрали байпаса 16 в обход турбинки 4 и поступает в сопло 12. Уменьшаются перепад давлений на турбинке 4, скорость циркуляции теплоносителя 3 и величина газового потока вследствие уменьшения коэффициента теплоотдачи на границах сред и промежуточного теплоносителя 3. Выходящий из сопла 12 азот нагревает теплоноситель 3 в воронке 13, проходит между корпусом 1 и внутренней стенкой 2, отдавая тепло во внутренний объем корпуса 1, далее азот отводят через штуцер 14. Наличие слоя теплоизоляции 15 позволяет уменьшить тепловые потери из внутреннего корпуса.

Предлагаемый аппарат в сравнении с известным обеспечивает следующие преимущества.

Позволяет резко интенсифицировать теплопередачу вследствие увеличения скорости циркуляции промежуточного теплоносителя, причем интенсификация обеспечивается без привлечения устройств с внешним дополнительным источником энергии (например, вакуумный агрегат в прототипе).

Интенсивность теплообмена возрастает также вследствие турбулизации поднимающегося потока теплоносителя в зоне нагрева на гофрированной части обечайки.

Передача энергии от высокотемпературного газа к жидкому теплоносителю осуществляется не только в форме теплоты, но и в форме работы с последующим преобразованием в теплоту, что позволяет реализовать для нагрева часть потенциальной энергии газа в отличие от прототипа.

Устройство обеспечивает уменьшение габаритных и массовых характеристик теплообменного оборудования и уменьшение массы теплоносителя вследствие интенсификации теплообмена, тогда как в прототипе значительные вертикальные размеры устройства обусловлены необходимостью поддержания разницы уровней теплоносителя в зоне нагрева и в зоне охлаждения с целью увеличения скорости циркуляции теплоносителя.

Использование: для осуществления теплообмена между двумя средами с применением жидкого промежуточного теплоносителя. Сущность изобретения: корпус 1 теплообменника заполнен промежуточным теплоносителем 3. Внутри корпуса размещен побудитель конвекции, состоящий из газовой турбинки 4. Последняя соединена механической связью с насосом 6. Внутри корпуса размещены теплообменники 9. Гофрированная обечайка 10 разделяет зоны нагрева и охлаждения. Величину теплового потока регулируют при помощи изменения гидравлического сопротивления магистрали байпаса 16, которая соединяет входной штуцер 11 с соплом 12 в обход турбинки 4. 1 ил.

ТЕПЛООБМЕННЫЙ АППАРАТ, содержащий корпус со штуцерами подвода и отвода газа, первый из которых связан с газовым соплом, размещенным в обечайке, коаксиально установленной в полости корпуса, заполненной теплоносителем, а в стенке последнего расположены трубчатые змеевики и устройство для побуждения конвекции теплоносителя, отличающийся тем, что, с целью повышения интенсивности теплопередачи, уменьшения массы и габаритов, устройство для побуждения конвекции выполнено в виде размещенной между штуцером подвода газа и соплом газовой турбинки, соединенной механической связью с насосом, расположенным в нижней части обечайки, поверхность которой выполнена гофрированной, корпус покрыт теплоизоляцией и снабжен дополнительной стенкой, установленной по отношению к теплоизоляции с образованием воздушного зазора, а штуцер подвода газа снабжен байпасной линией с регулирующим устройством.