ТЕПЛООБМЕННЫЙ АППАРАТ Российский патент 1997 года по МПК F28D11/02 

Изобретение относится к теплообменным аппаратам, преимущественно для охлаждения жидкостей в пищевой промышленности. Может быть использовано в химической промышленности и других областях техники, где требуется малогабаритное высокоэффективное оборудование для охлаждения или нагревание жидкостей.

Известно устройство для охлаждения рыбы в жидкой среде, содержащее двустенную емкость для хранения рыбы, соединенный с емкостью цилиндрический теплообменник с рубашкой и соосно расположенным в нем ротором, имеющим на торцовой части лопастное колесо насоса, причем теплообменник размещен горизонтально, рубашка имеет конусную форму, а в пространстве между рубашкой и емкостью расположена спираль с образованием винтового канала, при этом лопастное колесо имеет направляющее кольцо, укрепленное на концах лопастей насоса, а ротор выполнен гладкостенным, кроме этого емкость для хранения рыбы соединена с теплообменником гибкими трубопроводами (авт. св. СССР N 1653694, кл. 4/0,6, 21.12.88).

Следующие существенные признаки данного технического решения совпадают с существенными признаками предлагаемого изобретения, а именно: устройство для охлаждения рыбы в жидкой среде содержит теплообменник с рубашкой и соосно расположенный в нем ротор, имеющий на торцовой части лопастное колесо насоса, причем в пространстве между рубашкой и емкостью расположены спираль с образованием винтового канала.

Недостатком указанного устройства является то, что стенка ротора не является теплообменной, а охлаждение воды осуществляется только на стенке корпуса. Стенку ротора можно использовать для повышения интенсивности теплообмена.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа является теплообменный аппарат, преимущественно для охлаждения вязких жидкостей, содержащий охлаждаемый корпус с соосно размещенным в нем барабаном, установленным на вращающемся полом валу для циркуляции хладагента, и коллекторные камеры, подключенные к полости корпуса, при этом внутри барабана установлен перфорированный стакан с ложным дном и сеткой на боковой поверхности для распределения хладагента по внутренней поверхности барабана, а в коллекторных камерах установлены лопаточные колеса для прокачивания жидкости через полость корпуса, причем на внутренней поверхности корпуса укреплены радиальные перфорированные ребра, а барабан выполнен в виде усеченного конуса с углом конусности порядка 1 5^oC, (авт. св. СССР N 455235, 30.12.74, БИ N 48).

Следующие существенные признаки данного технического решения совпадают с существенными признаками предлагаемого изобретения, а именно: теплообменный аппарат для охлаждения жидкостей содержит охлаждаемый корпус с рубашкой и образованную между ними кольцевую полость, соосно расположенный в корпусе барабан, установленный на вращающемся полом валу для циркуляции хладагента, и коллекторные камеры, подключенные к полости корпуса и снабженные лопаточными колесами для прокачивания охлаждаемой жидкости.

Недостатком указанного устройства является наличие гладкой внутренней поверхности барабана, а также перфорированного стакана, которые не обеспечивают необходимой турбулизации хладагента на теплообменной поверхности барабана, что препятствует повышению интенсивности теплообмена.

Задача изобретения повышение интенсивности теплообмена.

Технический результат изобретения повышение интенсивности теплообмена.

В предлагаемом устройстве технический результат достигается тем, что в теплообменном аппарате для охлаждения или нагревания жидкостей, содержащем корпус с рубашкой и образованную между ними кольцевую полость, соосно расположенный в корпусе барабан, установленный на вращающемся полом валу для циркуляции хладагента, и коллекторные камеры, подключенные к корпусу и снабженные лопаточными колесами для прокачивания охлаждаемой или нагреваемой жидкости, причем внутри барабана, соосно установлен герметичный цилиндр, при этом одна из концевых частей вращающегося полого вала снабжены отверстиями для прохода теплоносителя (хладагента), а между отверстиями на вращающемся полом валу закреплены радиальные пластины для прокачивания теплоносителя (хладагента) через кольцевую полость, образованную барабаном и герметичным цилиндром, основания которого прикреплены к вращающемуся полому валу, причем одно из оснований выполнено в виде усеченного конуса, а внутренняя поверхность барабана снабжена выступами, кроме того, радиальные пластины выполнены в виде трапеций.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что предлагаемый теплообменный аппарат отличается тем, что внутри барабана соосно установлен герметичный цилиндр, при этом одна из концевых частей вращающего полого вала снабжена отверстиями, на вращающемся полом валу закреплены радиальные пластины для прокачивания теплоносителя через кольцевую полость, образованную барабаном и герметичным цилиндром, основания которого прикреплены к вращающемуся полому валу, причем одно из оснований выполнено в виде усеченного конуса, а внутренняя поверхность барабана снабжена выступами, кроме того, радиальные пластины выполнены в виде трапеций.

Корпус с рубашкой образуют кольцевую полость для циркуляции теплоносителя. Корпус с барабаном образуют кольцевую полость для циркуляции охлаждаемой или нагреваемой жидкости. Барабан служит для турбулизации пограничного слоя охлаждаемой или нагреваемой жидкости на теплообменных стенках корпуса и барабана. Вращающийся полый вал со своими отверстиями, расположенными на одной из концевых частей вала, обеспечивает подачу теплоносителя в полость барабана.

Вращающийся полый вал служит для крепления на нем барабана, герметичного цилиндра и радиальных пластин. Коллекторные камеры предназначены для ввода и вывода охлаждаемой или нагреваемой жидкости из полости, образованной корпусом и барабаном. Лопаточные колеса, установленные в коллекторных камерах служат для прокачивания охлаждаемой и нагреваемой жидкости между корпусом и рубашкой.

Герметичный цилиндр, размещенный соосно внутри барабана, образует узкую кольцевую полость в виде щели, что способствует повышению скорости теплоносителя на внутренней стенке барабана, оребренной выступами. Отверстия, расположенные на одной из концевых частей вращающегося полого вала служат для пропуска теплоносителя из полости вала в полость барабана. Радиальные пластины, закрепленные на вращающемся полом валу, обеспечивают прокачивание теплоносителя через кольцевую полость, образованную барабаном и герметичным цилиндром.

Основания цилиндра прикреплены к вращающемуся полому валу для обеспечения его герметичности. Одно из оснований герметичного цилиндра выполнено в виде конуса для увеличения объема, в котором расположены радиальные пластины.

Радиальные пластины выполнены в виде трапеций для захвата ими при вращении большого объема теплоносителя.

Внутренняя поверхность барабана снабжена выступами для усиления турбулизации теплоносителя и придания ими оребренности теплообменной поверхности для усиления теплообмена.

На фиг.1 показан предлагаемый теплообменный аппарат, (продольный разрез); на фиг.2 то же, разрез по А-А на фиг.1; на фиг.3 узел I на фиг.1.

Теплообменный аппарат содержит цилиндрический корпус 1 с охлаждаемой рубашкой 2 и соосно размещенным в нем барабаном 3, установленным на вращающемся полом валу 4 для циркуляции теплоносителя.

Путь движения охлаждаемой или нагреваемой жидкости в теплообменном аппарате показан сплошными линиями стрелок, а путь движения теплоносителя - пунктирными линиями стрелок.

К полости неподвижного корпуса 1 подключены коллекторные камеры 5 и 6 соответственно для ввода и вывода из аппарата охлаждаемой или нагреваемой жидкости.

Внутри барабана 3 соосно установлен на вращающемся полом валу 4 герметичный цилиндр 7, имеющий плоское основание 8 и основание 9, выполненное в виде усеченного конуса. Основания 8 и 9 закреплены на вращающемся полом валу 4, на одной из концевых частей которого имеются отверстия 10. Между отверстиями 10 к вращающему полому валу 4 прикреплены радиальные пластины 11, выполненные в виде трапеций, высота которых не превышает радиус герметичного цилиндра 7. Внутренняя поверхность барабана 3 снабжена выступами 12.

В коллекторной камере 5 установлено лопаточное колесо 13, закрепленное на торцевой поверхности барабана 3, для прокачки охлаждаемой или нагреваемой жидкости через кольцевую полость 14 между корпусом 1 и барабаном 3. В коллекторной камере 6 установлено лопаточное колесо 15, закрепленное на цилиндрической стенке барабана 3.

В кольцевой полости 16, образованной корпусом 1 и рубашкой 2, установлены в виде спирали перегородки 17, образующие винтовой канал для циркуляции теплоносителя.

Радиальные пластины 11 обеспечивают прокачивание теплоносителя через кольцевую полость 18, образованную барабаном 3 и герметичным цилиндром 7.

Выполнение основания 9 герметичного цилиндра 7 в виде усеченного конуса, а радиальных пластин 11 в виде трапеций, обеспечивает соединение наибольшего насосного эффекта, необходимого для прокачки теплоносителя через кольцевую полость 18, т.к. известно, что насосный эффект при вращении жидкости создается центробежными силами при ее вращения. Величина центробежной силы равна:
F = m•r²•ω
где: F центробежная сила;
m масса вращающейся жидкости;
r² радиус вращения объема жидкости с массой m;
w угловая скорость вращения.

Поэтому выполнение основания 9 герметичного цилиндра 7 в виде усеченного конуса обеспечивает увеличение объема, в котором расположены радиальные пластины 11, а, следовательно, и увеличение массы m вращающегося теплоносителя. Благодаря этому происходит увеличение центробежной силы F, т.е. насосного эффекта, что приводит к увеличению скорости движения теплоносителя в кольцевой полости 18. И, как следствие этого, происходит повышение интенсивности теплообмена через боковую поверхность барабана 3 между охлаждаемой или нагреваемой жидкостью и теплоносителем, движущемся в кольцевой полости 18.

При обтекании теплоносителем выступов 12, происходит его турбулизация в кольцевой полости 18, что также повышает интенсивность теплообмена.

Предлагаемый теплообменный аппарат работает следующим образом. Например, при охлаждении жидкости.

Жидкость, подлежащую охлаждению, подают из емкости (не показана) через приемный патрубок 19 в коллекторную камеру 5 и заполняют полость лопаточного колеса 13 и кольцевую полость 14. После этого полый вал с радиальными пластинами 11, барабаном 3 с лопаточным колесом 13, герметичным цилиндром 7 приводят во вращение, в емкость охлаждаемой жидкости.

Барабан 3, вращаясь, турбулизирует охлаждаемую жидкость в кольцевой полости 14.

Лопаточное колесо 13 создает давление и прокачивает охлаждаемую жидкость через кольцевую полость 14. Вихревые потоки охлаждаемой жидкости, образованные в кольцевой полости 14, способствуют повышению интенсивности теплообмена на охлаждаемых стенках корпуса 1 и барабана 3 за счет интенсивного вращения барабана 3.

После установления постоянного режима течения охлаждаемой жидкости в кольцевой полости 14, через приемный патрубок 21 в кольцевую полость 16 подают хладагент. Благодаря тому, что кольцевая полость 16 снабжена перегородкой 17, выполненной в виде спирали, образующей винтовой канал, хладагент движется с большей скоростью по каналу 16, где из-за кривизны канала, возникают вторичные течения хладагента, обеспечивающие увеличение коэффициента теплоотдачи со стороны хладагента, на теплопередающей внешней поверхности корпуса 1.

На внутренней поверхности корпуса 1 повышение интенсивности теплообмена, как отмечалось, происходит за счет турбулизации охлаждаемой жидкости барабана 3 при его вращении. Хладагент проходит кольцевую полость 16, отепляется и выходит через патрубок 22.

Однако, после этого, хладагент еще имеет достаточно низкую температуру, что позволяет дальнейшее его использование для охлаждения жидкости. Поэтому хладагент через патрубок 22 и канал 23 направляют в подающую камеру 24 коробчатой муфты 23, из которой по вращающемуся полому валу 4 хладагент течет к отверстиям 10, расположенным на концевой части вращающегося полого вала 4. Через отверстия 10 хладагент поступает в пространство между радиальными пластинами 11, которые при вращении барабана, раскручивают хладагент. При этом центробежные силы увеличивают скорость движения хладагента в узкой, щелевой, кольцевой полости 18, что приводит к большей турбулизации хладагента при обтекании выступов 12, повышая тем самым, коэффициент теплоотдачи на внутренней поверхности барабана 3.

Далее хладагент, охлаждая жидкость, проходит в кольцевую полость 18 и поступает через зазоры 26 и 27 в сливную камеры 28 коробчатой муфты 25 и по напорному патрубку 29 поступает в холодильную установку для повторного охлаждения. После достижения необходимой температуры жидкости в емкости, ее охлаждение прекращают.

Вращающийся полый вал 4 останавливают после прекращения подачи хладагента.

Использование: в теплотехнике, преимущественно для охлаждения или нагревании жидкостей в пищевой промышленности, а также в химической промышленности или на судах для охлаждения улова. Сущность изобретения: теплообменный аппарат содержит цилиндрический корпус 1 с охлаждаемой рубашкой 2 и соосно размещенным в нем барабаном 3, установленным на вращающемся полом валу 4. К корпусу 1 подключены коллекторные камеры 5 и 6 для ввода и вывода охлаждаемой или нагреваемой жидкости из аппарата. Внутри барабана 3 соосно установлен на вращающемся полом валу 4 герметичный цилиндр 7, имеющий плоское основание 8 и основание 9, выполненное в виде усеченного конуса. Основания 8 и 9 закреплены на вращающемся полом валу 4, на одной из концевых частей которого имеются отверстия 10. Между отверстиями 10 к вращающемуся полому валу 4 прикреплены радиальные пластины 11, выполненные в виде трапеций. Внутренняя поверхность барабана 3 снабжены выступами 12. В коллекторной камере 5 установлено лопаточное колесо 13, а в коллекторной камере 6 - лопаточное колесо 15. 2 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Теплообменный аппарат, содержащий корпус, охваченный рубашкой с образованием между ними полости, в которой размещена спиральная перегородка, соосно расположенный в корпусе вращающийся барабан, закрепленный на полом валу для циркуляции теплоносителя, и коллекторные камеры, подключенные к корпусу и имеющие лопаточные колеса для прокачивания охлаждаемой или нагреваемой жидкости, отличающийся тем, что он снабжен полым цилиндром, соосно установленным внутри вращающегося барабана с кольцевым зазором к его внутренней поверхности и закрепленным основаниями на полом валу, причем одно из оснований полого цилиндра имеет форму конуса, при этом на одном из концевых участков полого вала выполнены отверстия для прохода теплоносителя, между этими отверстиями на полом валу установлены радиальные пластины для прокачивания теплоносителя через упомянутый кольцевой зазор, а на внутренней поверхности вращающегося барабана выполнено оребрение. 2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что радиальные пластины выполнены в виде трапеций. 3. Аппарат по пп.1 и 2, отличающийся тем, что он снабжен муфтой, установленной внутри барабана на другом концевом участке полого вала.