ТЕПЛООБМЕННИК-КОНДЕНСАТОР Российский патент 1995 года по МПК F28B1/02 F28B9/10 

Изобретение относится к теплообменной аппаратуре, позволяет интенсифицировать теплообмен и может быть использовано в энергетической промышленности.

Известен теплообменник-конденсатор, выбранный за прототип и являющийся базовым объектом, в котором для интенсификации теплообмена используется однородное электрическое поле [1] Этот теплообменник-конденсатор содержит каналы для парогазовой среды с установленными по их оси центральными электродами, подключенными к высоковольтному источнику. В каждом канале дополнительно установлен перфорированный электрод, размещенный между центральным электродом и стенками канала. Указанный теплообменник-конденсатор работает следующим образом. При подключении центрального и перфорированного электродов к противоположным полюсам высоковольтного источника парогазовая среда поступает в канал и пар конденсируется. При подаче напряжения только на перфорированный электрод однородное поле воздействует в основном на пленку конденсата и незначительно на диффузионный слой. При одновременном подключении центрального и перфорированного электродов к различным полюсам высоковольтного источника происходит интенсификация теплообмена за счет одновременного воздействия на пленку конденсата и диффузионного пограничного слоя. Однородное электрическое поле способствует разбрызгиванию конденсата и его удалению с теплообменной поверхности.

Недостатки описанного прототипа заключаются в том, что, во-первых, центральный и перфорированный электроды принудительно не охлаждаются и, следовательно, не участвуют в теплообмене, что приводит к снижению эффективности работы теплообменника-конденсатора и, следовательно к повышению его массово-габаритных характеристик; во-вторых, однородное электрическое поле только разрушает пленку конденсата на поверхности стенок канала, поэтому требуется дополнительная энергия на его удаление из теплообменника-конденсатора.

Целью изобретения является интенсификация теплообмена при конденсации паров диэлектрической жидкости и уменьшение гидравлического сопротивления теплообменника-конденсатора.

Для этого в теплообменнике-конденсаторе, содержащем плоский канал для паровой рабочей среды, являющийся зоной конденсации, находящийся между полостями для охлаждающей жидкости, отделенный от последних металлическими пластинами, являющимися электродами, в свою очередь отделенными друг от друга посредством диэлектрических вставок и подключенными к противоположным полюсам высоковольтного источника, одна из которых может быть заземлена, пластины-электроды содержат полости для охлаждения диэлектрическими жидкостями независимо от величины подведенного к пластинам-электродам потенциала, причем пластины-электроды со стороны канала для паровой рабочей среды выполнены ступенчатыми и каждая ступень пластин-электродов расположена под углом к осевой линии канала таким образом, что канал в продольном сечении представляет собой ряд чередующихся участков клиновидной формы.

В канале подобного вида создается неоднородное электрическое поле, абсолютное значение напряженности которого растет с уменьшением расстояния между электродами и достигает максимального значения при минимальном расстоянии между электродами. Как известно, сила, действующая на единицу объема диэлектрика, которыми являются и конденсат, и пар, в неоднородном электрическом поле равна:
f ▿E² где ε диэлектрическая проницаемость вещества;
Е напряженность электрического поля, и определяется как напряженностью электрического поля и его градиентом (эти условия для рабочей среды одинаковы), так и диэлектрической проницаемостью вещества ε, которая для пара и жидкости различна. Для большинства жидких диэлектриков ε по абсолютному значению превосходят ε парообразных диэлектриков, например для фреонов значения ε для жидкости и пара следующие:
ε _пар ε_жид.
Фреон-113 1,0024 2,42
Фреон-114 1,0024 2,2
Фреон-12 1,0016 2,13
Следовательно, электрические силы будут действовать неодинаково на частицы жидкого и парообразного диэлектриков при всех прочих равных условиях. Частицы конденсата будут двигаться в сторону увеличения напряженности электрического поля с большей скоростью, чем частицы еще не сконденсировавшегося пара, вытесняя последние. Таким образом, создается направленное движение конденсата, в результате которого возникает прокачивающий эффект, в значительной степени компенсирующий гидравлическое сопротивление теплообменника-конденсатора. Вместе с тем благодаря вышеупомянутому эффекту частицы конденсата интенсивно удаляются с теплообменной поверхности пластин-электродов в одну сторону, освобождая место частицам пара и тем самым интенсифицируя теплообмен.

В случае, когда электроды теплообменника-конденсатора выполнены в виде внутренней и наружной концентрических втулок, причем внешняя поверхность внутренней, а внутренняя поверхность наружной втулок образуют кольцевой канал, и когда внутренняя втулка-электрод подключена к высокому потенциалу высоковольтного источника, а наружная втулка-электрод заземлена, эксплуатация теплообменника-конденсатора может осуществляться в более безопасных условиях, чем в случае, когда теплообменник-конденсатор имеет канал плоского типа, поскольку высоковольтная втулка-электрод со всех сторон окружена заземленным экраном, которым является наружная втулка-электрод.

На фиг.1 изображен предлагаемый теплообменник-конденсатор с плоским каналом, продольное сечение; на фиг.2 сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 теплообменник-конденсатор с кольцевым каналом, продольное сечение; на фиг.4 сечение Б-Б на фиг.3.

Плоский канал 1 и 2 (фиг.1 и 2) имеет переменное поперечное сечение и сформирован с двух сторон пластинами-электродами 2, а с двух других сторон диэлектрическими вставками 3. Пластины-электроды 2 со стороны вышеупомянутого канала выполнены ступенчатыми. Каждая ступень 4 пластин-электродов расположена под углом к осевой линии канала, образуя таким образом ряд чередующихся участков 5 клиновидной формы. Пластины-электроды 2 содержат полости 6 для охлаждающей диэлектрической жидкости и могут быть подключены к противоположным полюсам высоковольтного источника 7. Одна из пластин-электродов может быть заземлена.

На фиг. 3 и 4 канал 1 имеет переменное поперечное кольцевое сечение и сформирован внутренней и наружной концентрическими втулками 2 и диэлектрическими вставками 3. Внешняя поверхность внутренней и внутренняя поверхность наружной втулок-электродов выполнены ступенчатыми. Каждая ступень 4 втулок-электродов расположена под углом к осевой линии втулок, образуя таким образом два симметричных относительно осевой линии втулок ряда участков 5 клиновидной формы. Втулки-электроды 2 содержат полости 6 для охлаждающей диэлектрической жидкости и могут быть подключены к противоположным полюсам высоковольтного источника 7. Одна из втулок может быть заземлена.

Теплообменник-конденсатор работает следующим образом.

В каналы 1 подаются пары диэлектрической жидкости, а в полости 6 охлаждающая диэлектрическая жидкость. Включается источник напряжения 7, и на электроды 2 подается напряжение. Возникающее при этом между электродами 2 неоднородное электрическое поле, во-первых, разрушает пленку конденсата на поверхности электродов, во-вторых, вызывает силы, действующие на частицы конденсата в большей степени, чем на частицы еще не сконденсировавшегося пара, за счет большей по абсолютному значению величины диэлектрической проницаемости у жидких диэлектриков по сравнению с парообразными диэлектриками при всех прочих равных условиях. Эти силы действуют в сторону большей напряженности электрического поля, т. е. в сторону сужения участков 5 канала 1. В результате этого действия частицы конденсата движутся в зоны максимальной напряженности электрического поля, одновременно освобождая теплообменную поверхность частицами пара, и затем выбрызгиваются по ходу движения под действием поляризационных и инерционных сил.

Достоинствами предлагаемого теплообменника-конденсатора по сравнению с прототипом являются:
уменьшение массогабаритных характеристик за счет охлаждения высоковольтного электрода;
увеличение интенсивности теплообмена при конденсации и компенсация гидравлического сопротивления за счет создания направленного движения образующегося конденсата.

Использование: изобретение относится к теплообменной аппаратуре. Сущность изобретения: теплообменник-конденсатор содержит канал 1 для паровой рабочей среды, являющийся зоной конденсации, который сформирован расположенными параллельно друг другу и разделенными диэлектрическими вставками пластинами-электродами 2. В предлагаемом теплообменнике-конденсаторе предусмотрены полости для охлаждения пластин-электродов диэлектрической жидкостью независимо от величины подведенного к электродам потенциала; поверхность пластин-электродов 2 имеет ступенчатую конфигурацию со стороны канала 1 для паровой рабочей среды, причем каждая ступень 4 расположена под углом к осевой линии канала 1 таким образом, что канал 1 в продольном сечении представляет собой ряд чередующихся участков 5 клиновидной формы; электроды 2 изготовлены в виде концентрически расположенных втулок, образующих кольцевой канал и имеющих ступенчатую конфигурацию со стороны канала 1 для паровой рабочей среды. 1 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. ТЕПЛООБМЕННИК-КОНДЕНСАТОР, содержащий плоский канал для паровой рабочей среды, являющийся зоной конденсации, находящийся между полостями для охлаждающей жидкости, отделенный от последних металлическими пластинами, являющимися электродами, в свою очередь, отделенными друг от друга посредством диэлектрических вставок и подключенными к противоположным полюсам высоковольтного источника напряжения, одна из которых может быть заземлена, отличающийся тем, что, с целью интенсификации теплообмена и уменьшения гидравлического сопротивления теплообменника-конденсатора, пластины-электроды содержат полости для охлаждения диэлектрическими жидкостями независимо от величины подведенного к пластинам-электродам потенциала, причем пластины-электроды со стороны канала для паровой рабочей среды выполнены ступенчатыми и каждая ступень пластин-электродов расположены под углом к осевой линии канала таким образом, что канал в продольном сечении представляет собой ряд чередующихся участков клиновидной формы. 2. Теплообменник-конденсатор по п. 1, отличающийся тем, что электроды выполнены в виде внутренней и наружной концентрических втулок, причем внешняя поверхность внутренней, а внутренняя поверхность наружной втулок выполнены ступенчатыми и образуют кольцевой канал, причем каждая ступень втулок-электродов расположена под углом к осевой линии канала таким образом, что канал в продольном сечении представляет собой два симметричных относительно осевой линии втулок ряда чередующихся участков клиновидной формы, а в поперечных сечениях различных участков упомянутый канал представляет собой кольца с различной площадью.